CN115899035A - 一种薄壁圆管连接用ω型金属环、ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械设计技术领域，尤其涉及一种复合材料薄壁圆管连接用Ω型金属环、Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件及其成型方法，Ω型金属环，包括Ω型金属环主体，所述Ω型金属环主体包括Ω型波纹部和沿Ω型波纹部外缘向外延伸的圆管部，所述圆管部的壁厚大于Ω型波纹部的壁厚，所述圆管部与Ω型波纹部之间的连接处成型有形成连续圆弧过渡的倒角部，所述圆管部的外缘端成型有壁厚相比圆管部增厚的台肩。本发明中，Ω型金属环结构能够降低传统U型或V型金属环结构强度低、变形量大等问题，为多部件组合式机械设备提供一种同时满足强度、振动、形变控制和连接密封性等多维度需求的连接结构方案。

Description

一种薄壁圆管连接用Ω型金属环、Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件及其成型方法

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，尤其涉及一种薄壁圆管连接用Ω型金属环、Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件及其成型方法。

背景技术

复合材料薄壁圆管是机械设备中的一种典型结构，多节复合材料薄壁圆管之间通常采用金属环作为连接。

传统金属环多为U型或V型结构，这类形状的金属环在使用过程中存在结构应力大和变形量大的缺陷，容易发生结构失效，且金属环与复合材料薄壁圆管连接部位的密封性较低，不能满足先进机械复杂载荷环境的使用需求。

开展金属环结构优化设计，发明设计一种可以解决传统U型或V型金属环结构强度低的弱点、同时满足复合材料薄壁圆管连接需求的新型金属环方案，对机械连接结构的设计和使用具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，提供一种薄壁圆管连接用Ω型金属环结构，减小传统U型或V型金属环结构强度低、变形量大等问题，为多部件组合式机械设备提供一种同时满足强度、振动、形变控制、连接密封性等多维度需求的连接结构方案。

本发明为解决这一问题所采取的技术方案是：

一种薄壁圆管连接用Ω型金属环，包括Ω型金属环主体，所述Ω型金属环主体包括Ω型波纹部和沿Ω型波纹部外缘向外延伸的圆管部，所述圆管部的壁厚大于Ω型波纹部的壁厚，所述圆管部与Ω型波纹部之间的连接处成型有形成连续圆弧过渡的倒角部，所述圆管部的外缘端成型有壁厚相比圆管部增厚的台肩。

优选的，所述Ω型金属环主体采用高强度的铝合金、钛合金或结构钢制成。

进一步优选的，所述Ω型波纹部的波纹倾角α为6°～10°，所述Ω型波纹部的波深为10～15mm，波宽为5～10mm，壁厚为1～2mm。

进一步优选的，所述圆管部的直径为100～500mm，长度为10～50mm，壁厚为4～7mm。

进一步优选的，所述倒角部位置进行R3～R8(单位mm)的倒角处理。

进一步优选的，所述台肩长为50～80mm，所述台肩的壁厚相比圆管部增厚1～3mm。

本发明的第二个发明目的在于：还提供了一种Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件，包括内筒，所述的Ω型金属环主体过盈加胶装配在内筒的止口上，所述Ω型金属环主体和内筒上配合内筒的表面轮廓施加大张力缠绕并固化有复合材料层。

优选的，所述内筒的止口外围开设有用于适配装配圆管部的装配槽位，所述复合材料层包括依次缠绕在内筒和Ω型金属环主体上的玻璃纤维复合材料层和碳纤维复合材料层。

进一步优选的，所述玻璃纤维复合材料层的厚度为1～3mm，缠绕于圆管外侧，单层缠绕张力20～80N。

进一步优选的，所述碳纤维复合材料层的厚度为5～15mm，缠绕于玻璃纤维复合材料层外侧，单层张力50～150N。

本发明的第三个发明目的在于：还提供了一种Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件的成型方法，包括以下步骤：

S101：利用所述台肩将Ω型金属环主体的圆管部适配装配在内筒的装配槽位内，所述Ω型金属环主体的Ω型波纹部过盈加胶装配在内筒的止口上，过盈量为0.1～0.3mm；

S102：在所述Ω型金属环主体和内筒上配合Ω型金属环主体和内筒的表面轮廓施加大张力缠绕玻璃纤维复合材料层；

S103：在所述玻璃纤维复合材料层上施加大张力缠绕碳纤维复合材料层，固化后形成Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明中，Ω型金属环结构能够降低传统U型或V型金属环结构强度低、变形量大等问题，为多部件组合式机械设备提供一种同时满足强度、振动、形变控制等多维度需求的连接结构方案。

2、本发明中的Ω型金属环可以有效降低复合材料薄壁圆管使用过程中波纹处的应力、减小复合材料薄壁圆管变形，在保留合适的刚度性能的基础上，提高连接结构的强度安全裕度。

3、本发明中，带台肩的圆管部能够有助于改善Ω型金属环与内筒的装配工艺性，方便Ω型金属环主体定位装配在内筒上，同时，台肩与复合材料层相互咬合，台肩被紧紧卡在复合材料层和内筒之间，从而限制Ω型金属环主体的轴向位移，使得整个机械连接结构在工作状态下轴向不易松脱，同时利用台肩结构增长密封路径，提高局部连接强度和结构密封性。

4、本发明中，施加大张力缠绕的玻璃纤维复合材料层和碳纤维复合材料层可以为Ω型金属环提供足够的预应力，以进一步降低Ω型金属环在工作状态的结构应力、提高结构安全裕度。通过合适的张力制度设计，还可以协调Ω型金属环及其所连接的多节复合材料薄壁圆管之间的径向变形，降低连接结构内部的弯曲应力，减少整个装配组件因变形不协调导致失效的风险。此外，大张力缠绕将有效增大Ω型金属环与复合材料圆管之间的接触压力，增强连接结构的密封性。

5、本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白，国内先进复合材料薄壁圆管制造中，一直缺少同时满足强度、振动、形变控制和连接密封性的连接部件，本发明的技术方案填补了国内在该领域的技术空白，促进了国产先进复合材料薄壁圆管类型装备设计和制造技术的进步。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明中实施例1中Ω型金属环结构图。

图2为本发明中实施例2中Ω型金属环缠绕和装配组件图。

图中：1-Ω型波纹部；2-倒角部；3-圆管部；4-台肩；5-内筒；6-玻璃纤维复合材料层；7-碳纤维复合材料层。

具体实施方式

首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面就结合附图来具体说明本发明。

实施例1：

一种薄壁圆管连接用Ω型金属环，具体的：作为一种复合材料薄壁圆管连接用Ω型金属环，包括Ω型金属环主体，所述Ω型金属环主体包括Ω型波纹部1和沿Ω型波纹部1外缘向外延伸的圆管部3，所述圆管部3的壁厚大于Ω型波纹部1的壁厚，所述圆管部3与Ω型波纹部1之间的连接处成型有形成连续圆弧过渡的倒角部2，所述圆管部3的外缘端成型有壁厚相比圆管部3增厚的台肩4。

本实施例中，如图1所示，将多节复合材料薄壁圆管之间采用的金属环设计为Ω型，Ω型金属环结构相较于传统U型或V型金属环结构能够降低传统U型或V型金属环结构强度低、变形量大等问题，为多部件组合式机械设备提供一种同时满足强度、振动、形变控制和连接密封性等多维度需求的连接结构方案。具体的：Ω型金属环主体包括Ω型波纹部1、圆管部3以及连续圆弧过渡连接在两者之间的倒角部2，可以有效降低复合材料薄壁圆管使用过程中波纹处的应力、减小复合材料薄壁圆管变形，在保留合适的刚度性能的基础上，提高连接结构的强度安全裕度；圆管部3的壁厚大于Ω型波纹部1的壁厚，圆管部3的外缘端向上凸起成型有壁厚相比圆管部3增厚的台肩4，带台肩的圆管部，能够有助于改善Ω型金属环与内筒的装配工艺性，方便Ω型金属环主体定位装配在内筒上，同时，台肩与复合材料层相互咬合，台肩被紧紧卡在复合材料层和内筒之间，从而限制Ω型金属环主体的轴向位移，使得整个机械连接结构在工作状态下轴向不易松脱，提高局部连接强度和结构密封性。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，为了提高Ω型金属环主体的结构强度，所述Ω型金属环主体采用高强度的铝合金、钛合金或结构钢制成。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，如图1所示，所述Ω型波纹部1的波纹倾角α为6°～10°，所述Ω型波纹部1的波深为10～15mm，波宽为5～10mm，壁厚为1～2mm，Ω型波纹部1由底部的弧面和自弧面边缘朝Ω型波纹部中轴线逐渐收拢形成的侧面组成，关于Ω型波纹部中轴线对称的侧面之间的夹角为波纹倾角α，作为优选的，波纹倾角α为6°～10°，Ω型波纹部1的侧面通过倒角部2与圆管部3过渡连接，使得Ω型波纹部1可通过过盈装配方式装配在内筒5的止口上。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述圆管部3的直径为100～500mm，长度为10～50mm，壁厚为4～7mm。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述倒角部2位置进行R3～R8(单位mm)的倒角处理。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，为了提高局部连接强度和结构密封性，作为优选的，所述台肩4长为50～80mm，所述台肩4的壁厚相比圆管部3增厚1～3mm。

实施例2：

一种Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件，包括内筒5，实施例1中的Ω型金属环主体过盈装配在内筒的止口上，作为优选的，过盈量为0.1～0.3mm，所述Ω型金属环主体和内筒上配合内筒的表面轮廓缠绕并固化有复合材料层。

本实施例中，如图2所示，带台肩的Ω型金属环主体有助于方便Ω型金属环主体定位装配在内筒上，同时，装配组件装配完成后，台肩与复合材料层相互咬合，台肩被紧紧卡在复合材料层和内筒之间，从而限制Ω型金属环主体的轴向位移，使得整个机械连接结构在工作状态下轴向不易松脱，同时利用台肩结构增长密封路径，提高局部连接强度和结构密封性。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，为了保证Ω型金属环主体和内筒5的适配安装，所述内筒5的止口外围开设有用于适配装配圆管部的装配槽位，装配完成后，台肩的外表面与内筒5的外表面相齐平，所述复合材料层包括依次缠绕在内筒和Ω型金属环主体上的玻璃纤维复合材料层6和碳纤维复合材料层7。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述玻璃纤维复合材料层6的厚度为1～3mm，缠绕于圆管5外侧，单层缠绕张力20～80N，按一定比例逐层张力递减以达到各层剩余张力相同的效果。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述碳纤维复合材料层7的厚度为5～15mm，缠绕于玻璃纤维复合材料层6外侧，单层张力50～150N，按一定比例逐层张力递减以达到各层剩余张力相同的效果。

实施例3：

一种Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件的成型方法，包括以下步骤：

S101：利用所述台肩4将Ω型金属环主体的圆管部3适配装配在内筒5的装配槽位内，所述Ω型金属环主体的Ω型波纹部1过盈装配在内筒5的止口上，过盈量为0.1～0.3mm；

S102：在所述Ω型金属环主体和内筒5上配合Ω型金属环主体和内筒5的表面轮廓施加大张力缠绕玻璃纤维复合材料层6，玻璃纤维复合材料层6覆盖固化在内筒5的表面，玻璃纤维复合材料层6与台肩相互咬合，台肩被紧紧卡在复合材料层和内筒之间；

S103：在所述玻璃纤维复合材料层6上施加大张力缠绕碳纤维复合材料层7，碳纤维复合材料层7覆盖并固化在玻璃纤维复合材料层6的表面，玻璃纤维复合材料层6和碳纤维复合材料层7固化后，同内筒、Ω型金属环主体共同构成Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件。

采用本成型方法制备的金属环与复合材料薄壁圆管装配组件，作为一个机械连接结构，可以在保证所需的结构刚度性能基本不变的情况下，强度性能优于传统U型金属环，可以更好的满足机械设备的使用需求。另外，施加大张力缠绕的玻璃纤维复合材料层和碳纤维复合材料层可以为Ω型金属环提供足够的预应力，以进一步降低Ω型金属环在工作状态的结构应力、提高结构安全裕度。通过合适的张力制度设计，还可以协调Ω型金属环及其所连接的多节复合材料薄壁圆管之间的径向变形，降低连接结构内部的弯曲应力，减少整个装配组件因变形不协调导致失效的风险。此外，大张力缠绕将有效增大Ω型金属环与复合材料圆管之间的接触压力，增强连接结构的密封性。

应用例1：

使用实施例3中的Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件的成型方法制备的Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件，其中：Ω型波纹部1的壁厚1mm、波宽5mm、波深10mm，波纹倾角α度数8°；圆管部3的直径200mm、长度35mm、壁厚4mm；与Ω型波纹部连接的倒角部的圆角R5；台肩4长度50mm、壁厚5mm。

内筒5为壁厚5mm的碳纤维复合材料圆筒，玻璃纤维复合材料层6厚度3mm、按张力80N缠绕；碳纤维复合材料层7厚度10mm，按张力150N缠绕。

利用台肩4将Ω型金属环主体过盈加胶装配如内筒5止口上，然后依次缠绕玻璃纤维和碳纤维，固化后形成Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件。按上述实例，在复合材料薄壁圆管正常使用工况下，采用Ω型金属环结构，相比传统的U型金属环，在相同玻璃纤维和碳纤维缠绕方案的条件下，仅由于波形结构形状的不同带来的优化效果如下：

(1)强度性能方面。Ω型金属环相比传统U型金属环的结构应力可以减小10％～20％，特别是对于波谷和倒角部等结构薄弱部位，最大应力可以减小200MPa以上，可以显著提高结构的强度安全裕度；

(2)振动性能方面。Ω型金属环相比传统U型金属环的弯曲刚度和连接刚度的变化量差异在5％以内，特别是对于多节复合材料薄壁圆管的临界弯曲振动频率有着重要影响的弯曲刚度，采用Ω型金属环可以获得与传统U型金属环相当的效果，对多节复合材料薄壁圆管的临界弯曲振动频率的影响可以控制在10Hz的可接受范围之内；

(3)形变控制方面。Ω型金属环配合以玻璃纤维和碳纤维大张力双层缠绕复合材料，相比传统U型金属环的径向变形量可以减小30～50％，轴向变形量可以减小5％～10％，有利于复合材料薄壁圆管整体结构的稳定；

(4)密封性能方面。带台肩的Ω型金属环配合以玻璃纤维和碳纤维大张力双层缠绕复合材料，相比传统U型金属环，经氦质谱仪检测，真空单点漏率可以从10^-2～10^-4Pa·m³/s量级提高到10^-6Pa·m³/s量级以上，可以满足更为严苛的真空密封环境使用需要。

因此，采用本发明方案的金属环用于复合材料薄壁圆管连接，可以在保证所需的结构振动性能基本不变的情况下，强度性能、形变控制和密封性能均优于传统U型金属环，可以更好的满足机械设备更加复杂载荷和严苛环境下的使用需求。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种复合材料薄壁圆管连接用Ω型金属环，其特征在于：包括Ω型金属环主体，所述Ω型金属环主体包括Ω型波纹部(1)和沿Ω型波纹部(1)外缘向外延伸的圆管部(3)，所述圆管部(3)的壁厚大于Ω型波纹部(1)的壁厚，所述圆管部(3)与Ω型波纹部(1)之间的连接处成型有形成连续圆弧过渡的倒角部(2)，所述圆管部(3)的外缘端成型有壁厚相比圆管部(3)增厚的台肩(4)。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料薄壁圆管连接用Ω型金属环，其特征在于：所述Ω型金属环主体采用高强度的铝合金、钛合金或结构钢制成。

3.根据权利要求2所述的一种复合材料薄壁圆管连接用Ω型金属环，其特征在于：所述Ω型波纹部(1)的波纹倾角为6°～10°，所述Ω型波纹部(1)的波深为10～15mm，波宽为5～10mm，壁厚为1～2mm。

4.根据权利要求3所述的一种复合材料薄壁圆管连接用Ω型金属环，其特征在于：所述圆管部(3)的直径为100～500mm，长度为10～50mm，壁厚为4～7mm。

5.根据权利要求4所述的一种复合材料薄壁圆管连接用Ω型金属环，其特征在于：所述台肩(4)长为50～80mm，所述台肩(4)的壁厚相比圆管部(3)增厚1～3mm。

6.一种Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件，包括内筒(5)，其特征在于：如权利要求1-5任一项所述的Ω型金属环过盈装配在内筒(5)的止口上，所述Ω型金属环主体和内筒(5)上配合内筒(5)的表面轮廓缠绕并固化有复合材料层。

7.根据权利要求6所述的一种Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件，其特征在于：所述内筒(5)的止口外围开设有用于适配装配圆管部(3)的装配槽位，所述复合材料层包括依次缠绕在内筒(5)和Ω型金属环主体上的玻璃纤维复合材料层(6)和碳纤维复合材料层(7)。

8.根据权利要求7所述的一种Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件，其特征在于：所述玻璃纤维复合材料层(6)的厚度为1～3mm，缠绕于圆管(5)外侧，单层缠绕张力20～80N。

9.根据权利要求7所述的一种Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件，其特征在于：所述碳纤维复合材料层(7)的厚度为5～15mm，缠绕于玻璃纤维复合材料层(6)外侧，单层张力50～150N。

10.一种权利要求7所述的Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件的成型方法，其特征在于：包括以下步骤：

S101：利用所述台肩(4)将Ω型金属环主体的圆管部(3)适配装配在内筒(5)的装配槽位内，所述Ω型金属环主体的Ω型波纹部(1)过盈加胶装配在内筒(5)的止口上，过盈量为0.1～0.3mm；

S102：在所述Ω型金属环主体和内筒(5)上配合Ω型金属环主体和内筒(5)的表面轮廓缠绕玻璃纤维复合材料层(6)；

S103：在所述玻璃纤维复合材料层(6)上缠绕碳纤维复合材料层(7)，固化后形成Ω型金属环与复合材料薄壁圆管装配组件。

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