CN114274557B - 一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，属于潜水器耐压壳领域。步骤一：预先加工好圆柱形缠绕芯模及金属构件；步骤二：金属构件进行去油、清洗，对待连接区域进行喷砂或电子束毛化处理；步骤三：将圆柱形缠绕芯模放置到缠绕机上，将金属构件装配到圆柱形缠绕芯模上的预定位置；步骤四：在金属构件的待连接区域及圆柱形缠绕芯模未装配金属构件的外表面铺放纤维预浸料；步骤五：纤维缠绕；步骤六：重复步骤四和五，直至纤维束达到设计厚度形成待固化的复合材料圆柱壳为止；步骤七：固化成型；步骤八：将圆柱形缠绕芯模脱出，得到共固化成型的复合材料圆柱壳与金属构件的一体成型部件。本发明用于复合材料圆柱壳与金属构件的连接成型。

Description

一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法

技术领域

本发明属于潜水器耐压壳领域，具体涉及一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法。

背景技术

耐压壳是潜水器的主承力部件，对其性能要求十分苛刻。复合材料作为先进高性能材料的代表，正逐渐应用于潜水器耐压壳中。如何保证复合材料结构与金属部件的可靠连接与良好密封，是当前亟待解决的一个工程实际问题。

复合材料结构与金属部件的典型连接方式有机械连接、胶接以及混合连接。其中，机械连接主要缺点是孔边应力集中严重，需加固处理，且需增加接头质量，结构增重较大；胶接常常是硬碰硬粘贴，不足是不可拆卸且粘接性能分散性大，胶层易受环境影响，存在老化等问题，同时破坏难以预测；混合连接需使用紧固件，提高了结构成本及重量，降低了使用复材所带来的减重优势。上述这些连接都需要提前对复合材料表面进行精磨等处理，对工艺和技术要求较高，也会影响复合材料结构的性能。同时，机械连接很难保证密封面的完美贴合，胶接的树脂流动较难保证均匀，均存在密封不足的风险。

因此，有必要发明一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，保证结构可靠连接与良好密封。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，通过金属构件的待连接区域的倒梢及环形凹槽的结构设计，铺放与缠绕相结合的一体固化成型工艺，保证复合材料圆柱壳与金属构件的可靠连接与良好密封。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，所述连接设计及成型方法包括以下步骤：

步骤一：备料；预先加工好圆柱形缠绕芯模以及与其配套的金属构件；

步骤二：去污及粗糙度处理；金属构件先进行去油、清洗，之后，对金属构件的待连接区域进行喷砂或电子束毛化处理；

步骤三：圆柱形缠绕芯模与金属构件装配；将圆柱形缠绕芯模放置到缠绕机上，并将金属构件装配到圆柱形缠绕芯模上的预定位置；

步骤四：铺放纤维预浸料；在金属构件的待连接区域以及圆柱形缠绕芯模未装配金属构件的外表面铺放纤维预浸料；

步骤五：纤维缠绕；利用纤维缠绕机，对纤维束施加张紧力，在金属构件的待连接区域以及圆柱形缠绕芯模未装配金属构件的外表面进行纤维缠绕，将金属构件待连接区域的环形凹槽内的预浸料通过纤维束张紧力紧密地与金属构件相接触；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直至纤维束达到设计厚度形成待固化的复合材料圆柱壳为止；

步骤七：固化成型；将装配有金属构件的圆柱形缠绕芯模连同待固化的复合材料圆柱壳一并放入固化炉内，进行固化成型，固化温度为70-145℃，固化时间为2-4h；

步骤八：制备成型部件；固化结束后，利用脱模机将圆柱形缠绕芯模脱出，得到共固化成型的复合材料圆柱壳与金属构件的一体成型部件。

进一步的是，步骤一中，所述金属构件为空心圆柱体，在金属构件的外圆柱面上加工有一环形凸台、两个环形密封槽、两个环形凹槽、两个倒梢以及位于外端面上的倒角，所述两个环形密封槽位于环形凸台的一侧，所述两个环形凹槽、两个倒梢以及所述倒角位于环形凸台的另一侧，两个倒梢分别是第一倒梢和第二倒梢，所述第一倒梢设置在环形凸台与其中一个环形凹槽之间，所述第二倒梢设置在另一个环形凹槽与倒角之间，由两个倒梢、两个环形凹槽、连接两个环形凹槽之间的外圆柱面、倒角以及所述外端面组合构成金属构件的待连接区域。

进一步的是，步骤二中，对金属构件的待连接区域进行喷砂或电子束毛化处理后产生数个毛刺凸起。

进一步的是，步骤五中，对纤维束施加的张紧力在3-65N之间。

进一步的是，所述金属构件的材质为钛合金、铝合金或者型号钢。

进一步的是，所述复合材料为碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、高强聚乙烯纤维增强复合材料中的一种或者是至少两种复合材料的组合。

进一步的是，所述纤维预浸料为碳纤维预浸料、芳纶纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、高强聚乙烯纤维预浸料中的一种或者是至少两种预浸料的组合。

进一步的是，所述纤维预浸料为单向纤维预浸料、平纹预浸料、斜纹预浸料或多轴向预浸料。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明的一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，复合材料圆柱壳与金属构件通过金属构件上的倒梢及环形凹槽设计、金属构件粗糙度处理、铺放预浸料及纤维张紧力缠绕工艺相结合，实现复合材料圆柱壳与金属构件的一体化成型，并提升了连接区域的界面性能，确保了复合材料圆柱壳与金属构件的连接强度及密封性。

附图说明

图1是本发明的复合材料圆柱壳与金属构件及圆柱形缠绕芯模连接方式的纵截面剖视图；

图2是利用本发明的方法得到的复合材料圆柱壳与金属构件的一体成型部件的纵截面剖视图。

上述附图中涉及的部件名称及标号如下：

圆柱形缠绕芯模1、环形密封槽2、第一倒梢3、环形凹槽4、第二倒梢5、金属构件6、复合材料圆柱壳7。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1、图2所示，本实施方式披露了一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，所述连接设计及成型方法包括以下步骤：

步骤一：备料；预先加工好圆柱形缠绕芯模1以及与其配套的金属构件6；

步骤二：去污及粗糙度处理；金属构件6先进行去油、清洗(用清洗剂清洗，为现有技术)，之后，对金属构件6的待连接区域进行喷砂或电子束毛化处理(增加金属构件6待连接区域的表面粗糙度)；

步骤三：圆柱形缠绕芯模1与金属构件6装配；将圆柱形缠绕芯模1放置到缠绕机上，并将金属构件6装配到圆柱形缠绕芯模1上的预定位置；

步骤四：铺放纤维预浸料；在金属构件6的待连接区域以及圆柱形缠绕芯模1未装配金属构件6的外表面铺放纤维预浸料；

步骤五：纤维缠绕；利用纤维缠绕机，对纤维束施加张紧力，在金属构件6的待连接区域以及圆柱形缠绕芯模1未装配金属构件6的外表面进行纤维缠绕，将金属构件6待连接区域的环形凹槽4内的预浸料通过纤维束张紧力紧密地与金属构件6相接触；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直至纤维束达到设计厚度形成待固化的复合材料圆柱壳7为止；

步骤七：固化成型；将装配有金属构件6的圆柱形缠绕芯模1连同待固化的复合材料圆柱壳7一并放入固化炉内，进行固化成型，固化温度为70-145℃，固化时间为2-4h；

步骤八：制备成型部件；固化结束后，利用脱模机将圆柱形缠绕芯模1脱出，得到共固化成型的复合材料圆柱壳7与金属构件6的一体成型部件(得到的是潜水器耐压壳主体部件)。

具体实施方式二：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤一中，所述金属构件6为空心圆柱体，在金属构件6的外圆柱面上加工有一环形凸台、两个环形密封槽2、两个环形凹槽4、两个倒梢以及位于外端面上的倒角，所述两个环形密封槽2位于环形凸台的一侧，所述两个环形凹槽4、两个倒梢以及所述倒角位于环形凸台的另一侧，两个倒梢分别是第一倒梢3和第二倒梢5(倒梢即为圆锥面，所述圆锥面由里端向外端方向直径逐渐增大)，所述第一倒梢3设置在环形凸台与其中一个环形凹槽4之间，所述第二倒梢5设置在另一个环形凹槽4与倒角之间，由两个倒梢、两个环形凹槽4、连接两个环形凹槽4之间的外圆柱面、倒角以及所述外端面组合构成金属构件6的待连接区域。本实施方式中，在金属构件6的外圆柱面上加工有环形凹槽4及倒梢，其目的是为了提升连接区域的界面性能，确保复合材料圆柱壳与金属构件的连接强度及密封性。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式一或二作出的进一步说明，步骤二中，对金属构件6的待连接区域进行喷砂或电子束毛化处理后产生数个毛刺凸起。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤五中，对纤维束施加的张紧力在3-65N之间，张紧力优选在5-20N之间。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述金属构件6的材质为钛合金、铝合金或者型号钢。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述复合材料为碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、高强聚乙烯纤维增强复合材料中的一种或者是至少两种复合材料的组合。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述纤维预浸料为碳纤维预浸料、芳纶纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、高强聚乙烯纤维预浸料中的一种或者是至少两种预浸料的组合。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述纤维预浸料为单向纤维预浸料、平纹预浸料、斜纹预浸料或多轴向预浸料。

实施例1：

复合材料圆柱壳7选用基于缠绕工艺成型的碳纤维增强复合材料，树脂选用耐海洋环境的环氧树脂，金属构件6选用钛合金TC4，铺放的预浸料选用平纹碳纤维预浸料。制备过程为：首先制备金属构件6(如图1所示)，然后与圆柱形缠绕芯模1(如图1所示)装配定位，之后采用铺放工艺在金属构件6的连接区域铺放碳纤维预浸料，然后利用湿法缠绕工艺，制备碳纤维复合材料壳，最后进行固化及脱模，制备得到复合材料圆柱壳与金属构件的一体成型部件(如图2所示)。其中，铺放和缠绕工艺可以交替进行几次。

实施例2：

本实施例2中，金属构件6选用铝合金材料，其余与实施例1相同。

显然，本发明不限于上述示范性实施例，上述仅是对本发明的举例说明。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，其特征在于：所述连接设计及成型方法包括以下步骤：

步骤一：备料；预先加工好圆柱形缠绕芯模（1）以及与其配套的金属构件（6）；所述金属构件（6）为空心圆柱体，在金属构件（6）的外圆柱面上加工有一环形凸台、两个环形密封槽（2）、两个环形凹槽（4）、两个倒梢以及位于外端面上的倒角，所述两个环形密封槽（2）位于环形凸台的一侧，所述两个环形凹槽（4）、两个倒梢以及所述倒角位于环形凸台的另一侧，两个倒梢分别是第一倒梢（3）和第二倒梢（5），所述第一倒梢（3）设置在环形凸台与其中一个环形凹槽（4）之间，所述第二倒梢（5）设置在另一个环形凹槽（4）与倒角之间，由两个倒梢、两个环形凹槽（4）、连接两个环形凹槽（4）之间的外圆柱面、倒角以及所述外端面组合构成金属构件（6）的待连接区域；

步骤二：去污及粗糙度处理；金属构件（6）先进行去油、清洗，之后，对金属构件（6）的待连接区域进行喷砂或电子束毛化处理；

步骤三：圆柱形缠绕芯模（1）与金属构件（6）装配；将圆柱形缠绕芯模（1）放置到缠绕机上，并将金属构件（6）装配到圆柱形缠绕芯模（1）上的预定位置；

步骤四：铺放纤维预浸料；在金属构件（6）的待连接区域以及圆柱形缠绕芯模（1）未装配金属构件（6）的外表面铺放纤维预浸料；

步骤五：纤维缠绕；利用纤维缠绕机，对纤维束施加张紧力，在金属构件（6）的待连接区域以及圆柱形缠绕芯模（1）未装配金属构件（6）的外表面进行纤维缠绕，将金属构件（6）待连接区域的环形凹槽（4）内的预浸料通过纤维束张紧力紧密地与金属构件（6）相接触；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直至纤维束达到设计厚度形成待固化的复合材料圆柱壳（7）为止；

步骤七：固化成型；将装配有金属构件（6）的圆柱形缠绕芯模（1）连同待固化的复合材料圆柱壳（7）一并放入固化炉内，进行固化成型，固化温度为70-145℃，固化时间为2-4h；

步骤八：制备成型部件；固化结束后，利用脱模机将圆柱形缠绕芯模（1）脱出，得到共固化成型的复合材料圆柱壳（7）与金属构件（6）的一体成型部件。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，其特征在于：步骤二中，对金属构件（6）的待连接区域进行喷砂或电子束毛化处理后产生数个毛刺凸起。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，其特征在于：步骤五中，对纤维束施加的张紧力在3-65N之间。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，其特征在于：所述金属构件（6）的材质为钛合金、铝合金或者型号钢。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，其特征在于：所述复合材料为碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、高强聚乙烯纤维增强复合材料中的一种或者是至少两种复合材料的组合。

6.根据权利要求1所述的一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，其特征在于：所述纤维预浸料为碳纤维预浸料、芳纶纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、高强聚乙烯纤维预浸料中的一种或者是至少两种预浸料的组合。

7.根据权利要求1所述的一种复合材料圆柱壳与金属构件的连接设计及成型方法，其特征在于：所述纤维预浸料为单向纤维预浸料、平纹预浸料、斜纹预浸料或多轴向预浸料。

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