CN117698902A - 一种含连接接头的复合材料一体结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含连接接头的复合材料一体结构，包括蒙皮结构、芯材结构和连接接头芯材结构；连接接头芯材结构一端与芯材结构的中部相接、另一端用于连接平台结构；蒙皮结构的外蒙皮结构铺覆于芯材结构的外侧壁表面，内蒙皮结构包括由外至内依次铺设的界面增强蒙皮层、连接接头局部增强蒙皮层、整体内蒙皮层，界面增强蒙皮层铺覆于芯材结构的内侧壁表面，以将芯材结构与连接接头芯材结构隔开；连接接头局部增强蒙皮层铺覆于芯材结构与连接接头芯材结构相接处的表面；整体内蒙皮层铺覆于芯材结构与连接接头芯材结构的表面，使连接成为整体结构。本发明实现结构制造整体化，提高结构承载性能，减少复合材料构件的生产和装配，降低人工和能耗。

Description

一种含连接接头的复合材料一体结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及船舶复合材料技术领域，具体涉及一种含连接接头的复合材料一体结构及其制备方法。

背景技术

在舰船结构设计中，为提高结构效率，结构的整体性始终是设计者追求的目标。相对于分段式的金属结构而言，复合材料虽然具有提高结构整体性的优越条件，但是由于设计、工艺、成本和使用维护等方面的需要或限制，还是必须安排一定的设计和工艺分离面，这些部位的载荷传递必须有相应的连接方式来解决，因此结构连接是不可避免的。胶接连接密封、绝缘、减振和抗疲劳等特性满足舰船需求，适用于船舶所运行的海洋环境，此外，复合材料结构使用寿命较长，维修率低，局部维修补强容易，可以弥补胶接结构不可拆卸的缺点，但胶接存在强度分散性大，剥离强度较低，难以传递大的载荷。螺栓连接便于质量检查、保证连接的可靠性，可以重复装配和拆卸，但对于厚度较大的夹芯结构，如采用螺栓连接，则螺栓的直径较大，螺栓开孔不仅破坏了纤维的连续性，孔周的应力集中使复合材料强度降低。此外，随着大型复合材料结构制备工艺水平的提升及结构整体化的要求，采用T型、π型和L型等连接件连接结构形式，也在船舶复合材料结构上得到应用，一定程度上减少了复合材料构件和紧固件数量，但对于大型复合材料结构，连接件形式越多，装配的工作量越大，也会增加整体重量，此外，采用连接件装配在传递大载荷上仍显不足，与整体化制造也有差距。以复合材料上层建筑上下侧舱壁与甲板间的连接为例，如采用十字连接件方式连接，将涉及上舱壁与十字连接件的连接、下舱壁与十字件连接件的连接，以及甲板与十字连接件的连接，连接节点多，装配工作量大，且外表面需要处理，若结构有气密水密等密性要求的话，装配难度将会进一步增大，结构的风险点增多，且受限于连接方式，上舱壁、下舱壁和甲板只能分块成型，制造成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对传统复合材料结构连接形式复杂，连接件数量多，装配工作量大，密性处理难度大，传递载荷不足、制造成本高的问题，提供一种含连接接头的复合材料一体结构及其制备方法，解决上下结构与平台间连接问题，实现结构制造整体化，提高结构承载性能，减少复合材料构件的生产和装配，降低人工和能耗。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种含连接接头的复合材料一体结构，包括蒙皮结构、芯材结构和连接接头芯材结构；所述连接接头芯材结构一端与所述芯材结构的中部相接、另一端用于连接平台结构；所述蒙皮结构包括外蒙皮结构和内蒙皮结构，所述外蒙皮结构铺覆于所述芯材结构的外侧壁表面，所述内蒙皮结构包括由外至内依次铺设的界面增强蒙皮层、连接接头局部增强蒙皮层、整体内蒙皮层，所述界面增强蒙皮层铺覆于所述芯材结构的内侧壁表面，以将芯材结构与连接接头芯材结构隔开；所述连接接头局部增强蒙皮层铺覆于所述芯材结构与连接接头芯材结构相接处的表面，以提高连接强度；所述整体内蒙皮层铺覆于芯材结构与连接接头芯材结构的表面，使芯材结构与连接接头芯材结构连接成为整体结构。

上述方案中，所述芯材结构包括位于中部的芯材和分别粘接于所述芯材两端的第一预制件、第二预制件，所述第一预制件用于与顶平台进行连接，所述第二预制件用于与底平台进行连接。

上述方案中，所述芯材采用泡沫材料；所述第一预制件和第二预制件采用玻璃钢结构。

上述方案中，所述第一预制件、第二预制件与芯材的连接界面均加工成一定斜度，以增加粘接强度。

上述方案中，所述连接接头芯材结构包括第三预制件和支撑肘结构，所述支撑肘结构粘接于所述第三预制件下方。

上述方案中，所述第三预制件采用玻璃钢结构，第三预制件的内端加工成台阶结构，与平台结构进行匹配后通过胶螺连接。

上述方案中，所述支撑肘结构采用泡沫材料或复合材料预制件。

上述方案中，所述蒙皮结构的增强材料选用碳纤维织物、玻璃纤维织物、碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料中的一种。

上述方案中，所述复合材料一体结构成型工艺采用真空成型、OOA成型或热压罐成型工艺中的一种。

相应的，本发明还提出上述含连接接头的复合材料一体结构的制备方法，包括以下步骤：

模具准备：清理模具，并涂覆脱模剂；

在模具上按设计纤维布层数完成外蒙皮结构的铺覆，然后定位放置芯材结构，其次在芯材结构表面完成界面增强蒙皮层的铺覆，然后定位放置连接接头芯材结构，最后依次完成连接接头局部增强蒙皮层、整体内蒙皮层的铺覆；

在整个预成型体上铺设真空辅材，对真空体系真空度检验；

胶液配制和注胶；

固化成型和脱模。

本发明的有益效果在于：

本发明利用复合材料可设计性特点，结合大型复合材料结构制造工艺水平，通过对复合材料结构载荷分析、结构设计和仿真校核，结合三明治夹芯结构的特点，形成内外表面为复合材料蒙皮，中间为芯材和含连接接头的复合材料一体结构，解决上下结构及与平台间连接问题，实现结构制造整体化，提高结构承载性能，减少复合材料构件的生产和装配，降低人工和能耗。

相比与传统连接件连接方式，本发明可以上下舱壁一体结构，减少模块成型数量和结构间连接，减少了工作量；一体结构，避免了舱外与舱内密性问题；一体结构，连接强度高；另外，一体结构，表面质量高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明含连接接头的复合材料一体结构与平台结构的连接示意图。

图中：10、蒙皮结构；11、外蒙皮结构；12、内蒙皮结构；121、界面增强蒙皮层；122、连接接头局部增强蒙皮层；123、整体内蒙皮层；

20、芯材结构；21、第一预制件；22、芯材；23、第二预制件；

30、连接接头芯材结构；31、第三预制件；32、支撑肘结构；

200、平台结构。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种含连接接头的复合材料一体结构，包括蒙皮结构10、芯材结构20和连接接头芯材结构30。连接接头芯材结构30一端与芯材结构20的中部相接、另一端用于连接平台结构200。蒙皮结构10包括外蒙皮结构11和内蒙皮结构12，外蒙皮结构11铺覆于芯材结构20的外侧壁表面，内蒙皮结构12包括由外至内依次铺设的界面增强蒙皮层121、连接接头局部增强蒙皮层122、整体内蒙皮层123，界面增强蒙皮层121铺覆于芯材结构20的内侧壁表面，以将芯材结构20与连接接头芯材结构30隔开，形成复合材料界面，提高连接接头与上下结构间强度；连接接头局部增强蒙皮层122铺覆于芯材结构20与连接接头芯材结构30相接处的表面，在不改变上下结构内蒙皮结构12厚度的前提下，根据设计对连接结构局部蒙皮增厚，以提高连接强度；整体内蒙皮层123铺覆于芯材结构20与连接接头芯材结构30的表面，即作为上下结构和连接接头的整体外蒙皮层，使芯材结构20与连接接头芯材结构30连接成为整体结构。

进一步优化，芯材结构20包括位于中部的芯材22和分别粘接于芯材22两端的第一预制件21、第二预制件23。芯材22采用泡沫材料，在满足结构性能要求下，可以减轻结构重量，即实现结构的轻质高强。上结构尾端采用第一预制件21替代泡沫结构，形成实心复合材料结构，可以与顶平台进行连接，以保证连接强度，产生泡沫压溃和连接强度不足的风险；下结构根部采用第二预制件23替代泡沫结构，形成实心复合材料结构，可以与底平台进行连接，以保证连接强度，避免产生泡沫压溃和连接强度不足的风险。

进一步优化，泡沫材料选用PMI、PVC、HCP、PET中的一种，优选PVC泡沫，优选材料密度50～200kg/m³。泡沫上下表面均设有单向的凹槽，凹槽间距为20mm，凹槽宽度为2mm，槽交叉处打直径2mm通孔。

进一步优化，第一预制件21和第二预制件23采用玻璃钢结构，层间强度高，易于加工，同时避免如碳纤预制件与螺栓连接产生电化学腐蚀问题。

进一步优化，第一预制件21、第二预制件23与芯材22的连接界面均加工成一定斜度，以增加粘接强度，优选为45度。

进一步优化，连接接头芯材结构30包括第三预制件31和支撑肘结构32，支撑肘结构32粘接于第三预制件31下方。

进一步优化，第三预制件31采用玻璃钢结构，第三预制件31的内端加工成台阶结构，与平台结构200进行匹配后通过胶螺连接，胶采用柔性可拆卸密封胶，确保连接结构密性。

进一步优化，支撑肘结构32采用泡沫材料或复合材料预制件。根据结构强度和重量要求，可优选泡沫芯材22。支撑肘结构32结构外型面，选用直线型和弧形中的一种，优选更具有工艺适配性和美观性的弧形结构。

进一步优化，蒙皮结构10的增强材料选用碳纤维织物、玻璃纤维织物、碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料中的一种。优选碳纤维织物和玻璃纤维织物。

进一步优化，复合材料一体结构成型工艺采用真空成型、OOA成型或热压罐成型工艺中的一种，基于大型结构低制造成本和高生产效率的要求，优选真空成型。基体树脂选用不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基树脂中的一种，优选具有较好耐海洋环境的乙烯基树脂。

在本实施例中，采用上述含连接接头的复合材料一体结构作为上层建筑的上下侧舱壁，连接接头用于连接甲板。相比于现有技术中将上舱壁、下舱壁和甲板分块成型，本发明可以上下舱壁一体结构，减少模块成型数量和结构间连接，减少了工作量；一体结构，避免了舱外与舱内密性问题；一体结构，连接强度高；另外，一体结构，表面质量高。因此，本发明降低了装配难度和装配工作量，进一步降低了制造成本。需要说明的是，上下舱壁一体结构外型面可以根据实际需要设计成任何倾斜角度，如图1所示的倾斜角度7°。

相应的，本发明还提出上述含连接接头的复合材料一体结构的制备方法，包括以下步骤：

制备玻璃钢预制件：采用真空一体成型工艺制备设计厚度的第一预制件21、第二预制件23和第三预制件31，并加工成所需尺寸。

制备泡沫芯材22：根据设计尺寸，加工芯材22和支撑肘结构32。

芯材结构20的制备：采用胶粘剂将加工好的芯材22和第一预制件21、第二预制件23进行粘接处理，固化待用。

连接接头芯材结构30的制备：采用胶粘剂将加工好的支撑肘结构32和第三预制件31粘接处理，固化待用。

模具准备：清理模具，并涂覆脱模剂。

在模具上按铺层按设计纤维布层数完成外蒙皮结构11的碳纤维织物铺覆，铺覆时将搭接缝错开，多余纤维裁剪掉，然后定位放置已粘接处理的芯材结构20，其次在芯材结构20表面完成界面增强蒙皮层121的碳纤维织物铺覆，然后定位放置已粘接处理的连接接头芯材结构30，最后依次完成连接接头局部增强蒙皮层122、整体内蒙皮层123的碳纤维织物铺覆。

在整个预成型体上铺设真空辅材，对真空体系真空度检验。要求真空泵稳定工作后压力区间为0.095～0.1MPa，关闭真空泵保压5min后压力区间在0.090～0.1MPa。

胶液配制和注胶：按照凝胶实验结果确定用胶量，将树脂进行冰冻，混合后树脂的温度控制在12-15℃，树脂混合均匀，开动真至泵，进行注胶。

固化成型和脱模：树脂灌注完毕后，室温下固化24h，使用硬度计检验固化的树脂表面硬度，至少有2个点位置巴氏硬度达到35以上进行脱模。

脱模后进行打磨处理，即制得一种含连接接头的复合材料一体结构。

最后根据设计采用螺栓将含连接接头的复合材料一体结构与平台结构200进行连接。通过测试，所设计的含连接接头的复合材料一体结构，连接平台结构200承载载荷大于30kN。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种含连接接头的复合材料一体结构，其特征在于，包括蒙皮结构、芯材结构和连接接头芯材结构；所述连接接头芯材结构一端与所述芯材结构的中部相接、另一端用于连接平台结构；所述蒙皮结构包括外蒙皮结构和内蒙皮结构，所述外蒙皮结构铺覆于所述芯材结构的外侧壁表面，所述内蒙皮结构包括由外至内依次铺设的界面增强蒙皮层、连接接头局部增强蒙皮层、整体内蒙皮层，所述界面增强蒙皮层铺覆于所述芯材结构的内侧壁表面，以将芯材结构与连接接头芯材结构隔开；所述连接接头局部增强蒙皮层铺覆于所述芯材结构与连接接头芯材结构相接处的表面，以提高连接强度；所述整体内蒙皮层铺覆于芯材结构与连接接头芯材结构的表面，使芯材结构与连接接头芯材结构连接成为整体结构。

2.根据权利要求1所述的含连接接头的复合材料一体结构，其特征在于，所述芯材结构包括位于中部的芯材和分别粘接于所述芯材两端的第一预制件、第二预制件，所述第一预制件用于与顶平台进行连接，所述第二预制件用于与底平台进行连接。

3.根据权利要求2所述的含连接接头的复合材料一体结构，其特征在于，所述芯材采用泡沫材料；所述第一预制件和第二预制件采用玻璃钢结构。

4.根据权利要求2所述的含连接接头的复合材料一体结构，其特征在于，所述第一预制件、第二预制件与芯材的连接界面均加工成一定斜度，以增加粘接强度。

5.根据权利要求1所述的含连接接头的复合材料一体结构，其特征在于，所述连接接头芯材结构包括第三预制件和支撑肘结构，所述支撑肘结构粘接于所述第三预制件下方。

6.根据权利要求5所述的含连接接头的复合材料一体结构，其特征在于，所述第三预制件采用玻璃钢结构，第三预制件的内端加工成台阶结构，与平台结构进行匹配后通过胶螺连接。

7.根据权利要求5所述的含连接接头的复合材料一体结构，其特征在于，所述支撑肘结构采用泡沫材料或复合材料预制件。

8.根据权利要求1所述的含连接接头的复合材料一体结构，其特征在于，所述蒙皮结构的增强材料选用碳纤维织物、玻璃纤维织物、碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料中的一种。

9.根据权利要求1所述的含连接接头的复合材料一体结构，其特征在于，所述复合材料一体结构成型工艺采用真空成型、OOA成型或热压罐成型工艺中的一种。

10.根据权利要求1所述的含连接接头的复合材料一体结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

模具准备：清理模具，并涂覆脱模剂；

在模具上按设计纤维布层数完成外蒙皮结构的铺覆，然后定位放置芯材结构，其次在芯材结构表面完成界面增强蒙皮层的铺覆，然后定位放置连接接头芯材结构，最后依次完成连接接头局部增强蒙皮层、整体内蒙皮层的铺覆；

在整个预成型体上铺设真空辅材，对真空体系真空度检验；

胶液配制和注胶；

固化成型和脱模。