CN216158011U - 一种复合材料与金属接头连接的杆件结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种复合材料与金属接头连接的杆件结构，所述杆件结构包括金属接头、复合材料杆、高强螺栓和缘条固定件，所述金属接头设置在复合材料杆两端并通过高强螺栓与复合材料杆连接，所述缘条固定件设置在复合材料杆周侧，本实用新型以复合材料飞机常用的长桁制备工艺配合双剪螺栓连接接头，基于拉压受力和复材各向异性特征设计结构，杆件制造简单，铺层设计性强，连接强度可靠，安全性高且维修维护容易。

Description

一种复合材料与金属接头连接的杆件结构

【技术领域】

本实用新型涉及飞机结构设计技术领域，尤其涉及一种复合材料与金属接头连接的杆件结构。

【背景技术】

飞行器机体构件的设计要求在所允许的有限重量下实现结构轻量化。随着先进复合材料技术成熟度提高，大大推动了复合材料在飞机上的广泛应用。复合材料在飞机上的应用遵循由小到大、从次承力结构到主承力结构的规律。虽然当代民用飞机构型没有重大变化，但纤维增强复合材料以其优异的比刚度、比强度在现代航空飞行器主、次承力结构中获得大量原位替换金属的应用。飞机发动机吊挂为飞机主承力部件，其中对于超静定吊挂与机翼连接的核心部件之一下连杆，主要用于传递发动机推力，只承受拉/压载荷。相比传统全金属中空吊挂连杆结构(B737、B777、C919飞机采用)，复合材料通过合理设计，新型复合材料与金属接头连接的杆件结构可实现明显减重效果，获得良好的使用效果，如B787飞机吊挂下连杆采用复材杆与钛合金接头连接。

针对已有复合材料连接杆件，其设计难点在于如何保证复合材料与金属接头连接结构安全可靠、易维护低成本。很多设计人员对连接形式、接头设计、复合材料杆件和铺层优化开展大量研究。例如连接形式采用胶接、螺纹连接、缝合和螺栓连接等；接头设计采用混杂接头，纺锤接头等；复合材料杆件主要采用中空圆柱铺层或缠绕复合材料杆。如图6所示。现有技术方案中，与本申请提案最为接近的技术方案有6种，分别如7～12所示。

图7来自专利“Composite base structure and end fittingjoint andmethod”，申请号4,469,730。该方案将复材杆与金属接头之间的拉伸载荷转化为hoop载荷，也即90°的碳纤维tension载荷，压缩载荷通过复材与金属的接触面传递。该方案只将原金属杆件原位局部替换为复合材料，通过胶接和斜面接触传递载荷，且容易因热和湿坏境导致粘接面老化失效。

图8来自专利“Method for manufacturing a shaft ofa gas-turbine engine,in particular a radial shaft or a shaft arranged at an angle to the machineaxis”，申请号US2014130964。该方案提出了一种复合材料涡轮轴与金属接头的连接方案。该方案设计了花键形式的内、外金属接头，将复材预浸料铺贴到内金属接头上，而后连接外金属接头将复材压实到花键中，从而传递扭矩。方案为传扭轴设计，传递拉压载荷能力不足。

图9来自专利“复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的结构及方法”，申请号CN101509582B。该方案与图8方案类似，提出了一种复合材料中空杆与金属接头的连接方案，为了增加结构载荷传递效率和剪切强度，采用锯齿状螺纹增加接触面积。

图10来自专利“一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构”，申请号CN2017211110.1。该方案提出了一种复合材料中空杆与金属接头的连接方案，采用纺锤型接头通过螺纹连接。金属接头分为主副接头。但该结构通过斜面接触传递拉压载荷，且金属接头结构相较于全金属结构减重效果不显著。

图11来自专利“具有复合材料-金属接头的复合材料结构以及制造其的方法”，申请号CN103068565B。该方案提出了一种复合材料层板与金属接头的连接方案，采用叠层式方案连接。金属片与复合材料边缘交叉固化后连接。该方案虽增加了胶粘面积，但传递较大的拉压载荷效率不高。

图12来自专利“一种复合材料与金属结合的连杆结构”，申请号201811332440.1。该方案提出一种复合材料与金属结合的连杆结构，复合材料筒身为内外双筒结构；两个金属接头的金属连接结构的末端分别与复合材料筒身内筒的两个端部连接；沿着连杆的轴向方向，利用复合材料将两个金属接头的金属连接结构和复合材料筒身的内筒的缠绕在一起，并在内筒和金属连接结构的外表面形成复合材料筒身的外筒。

根据专利数据库检索的结果来看，吊挂下连杆以复材圆管原位替换金属圆管为主；复材圆管以缠绕工艺居多；因圆管采用螺栓连接圆周较困难，连接形式以胶接或斜面连接为主。但以上方案结构或接头重量大、或纤维承载效率低、或连接复杂维修维护成本高。

比如专利1“Composite base structure and end fitting joint and method”和专利2“Method for manufacturing a shaft of a gas-turbine engine,inparticular a radial shaft or a shaft arranged at an angle to the machineaxis”是一种典型的复合材料圆管原位替换金属管件并通过胶接连接的一种结构。专利3“复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的结构及方法”及专利“一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构”均涉及复合材料管件通过螺纹或斜面连接，没有涉及螺栓连接形式。专利5“具有复合材料-金属接头的复合材料结构以及制造其的方法”和专利“一种复合材料与金属结合的连杆结构”提出了一种增加胶接面积以提高连接强度的方案。以上技术方案虽然都于飞机杆件连接结构相关，但是结构上均较复杂，且复合材料与金属接头连接结构安全可进一步提高，维护成本也较高。

因此，有必要研究一种复合材料与金属接头连接的杆件结构来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【实用新型内容】

有鉴于此，本实用新型提供了一种复合材料与金属接头连接的杆件结构，以复合材料飞机常用的长桁制备工艺配合双剪螺栓连接接头，基于拉压受力和复材各向异性特征设计结构，杆件制造简单，铺层设计性强，连接强度可靠，安全性高且维修维护容易。

一方面，本实用新型提供一种复合材料与金属接头连接的杆件结构，所述杆件结构包括金属接头、复合材料杆、高强螺栓和缘条固定件，所述金属接头设置在复合材料杆两端并通过高强螺栓与复合材料杆连接，所述缘条固定件设置在复合材料杆周侧，所述金属接头通过铸造成型。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述复合材料杆包括捻子条和四个L形剖面复合材料，所述四个L形剖面复合材料为四个具有相同铺层的单向带，所述捻子条为具有四个相同铺面的中心填充单向带，所述四个L形剖面复合材料整体呈十字状铺设在捻子条的四个相同铺面上。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述缘条固定件为复合材料缘条加强件或复合材料缘条加强组合件。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述复合缘条加强件为圆形金属件，内部为与复合材料杆形状配合的十字形中空结构。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述复合材料缘条加强组合件包括固定泡沫、复合材料角片和复合材料圆管，所述固定泡沫为紧贴四个L形剖面复合材料放置的泡沫，所述复合材料角片设置在固定泡沫上，所述复合材料圆管同时包覆固定泡沫和复合材料角片，所述复合材料角片的弧度等于1/4复合材料圆管。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述金属接头有两个，分别对称设置在复合材料杆两端。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，每个金属接头均包括双剪耳片接头、接头本体和连接角片，其中双剪耳片接头包括两个耳片，两个耳片对称且平行设置，组成双剪结构，双剪耳片接头通过接头本体与连接角片连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述连接角片内部沿复合材料杆方向设有十字腔体，所述复合材料杆固定在十字腔体内。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述杆件结构还包括过度圆角，所述过度圆角设置在十字腔体外，固定连接所述连接角片和接头本体。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述高强螺栓固定连接相邻两个L形剖面复合材料。

与现有技术相比，本实用新型可以获得包括以下技术效果：

1)：对于飞机吊挂连接区，下连杆作为主承力结构采用复合材料，利用其的高比强度、比刚度、可设计性对结构进行减重；

2)：基于复材材料先进的制造工艺，可模块化设计复合材料L型杆件截面尺寸和铺层角度，共固化一体成型，提高设计效率，同时装配简单，可进一步降低成本；

3)：利用紧固件机械连接复合材料，结构形式简单，分析技术成熟，安全性高；

4)：本实用新型可设计性强，装配简单且易拆卸；采用螺栓连接提高飞机的安全性和维修维护性。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1(a)是本实用新型一个实施例提供的复合材料与金属接头连接的杆件结构图()；

图1(b)是本实用新型一个实施例提供的复合材料与金属接头连接的杆件结构图；

图2(a)是本实用新型一个实施例提供的金属接头正视图；

图2(b)是本实用新型一个实施例提供的金属接头俯视图；

图2(c)是本实用新型一个实施例提供的金属接头左视图；

图3是本实用新型一个实施例提供的复合材料杆件轴测图；

图4是本实用新型一个实施例提供的复合材料缘条加强件结构图；

图5是本实用新型一个实施例提供的高强螺栓结构图；

图6是本实用新型背景技术中的现有技术复材连杆与金属接头机械连接方案示意图；

图7是本实用新型背景技术中的《Composite base structure and endfittingjoint and method》专利结构图；

图8是本实用新型背景技术中的《Method for manufacturing a shaft of agas-turbine engine,in particular a radial shaft or a shaft arranged at anangle to the machine axis》专利结构图；

图9是本实用新型背景技术中的《复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的结构及方法》专利结构图；

图10是本实用新型背景技术中的《一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构》专利结构图；

图11是本实用新型背景技术中的《具有复合材料-金属接头的复合材料结构以及制造其的方法》专利结构图；

图12是本实用新型背景技术中的《一种复合材料与金属结合的连杆结构》专利结构图。

其中，图中金属接头1；复合材料杆2；高强螺栓3；缘条固定件4；耳片11；接头本体12；连接角片13；L形剖面复合材料21；捻子条22；固定泡沫41；复合材料角片42；复合材料圆管43；复合材料缘条加强件44；过度圆角5。

【具体实施方式】

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本实用新型一种复合材料与金属接头连接的杆件结构，所述杆件结构包括金属接头、复合材料杆、高强螺栓和缘条固定件，所述金属接头设置在复合材料杆两端并通过高强螺栓与复合材料杆连接，所述缘条固定件设置在复合材料杆周侧。

所述复合材料杆包括捻子条和四个L形剖面复合材料，所述四个L形剖面复合材料为四个具有相同铺层的单向带，所述捻子条为具有四个相同铺面的中心填充单向带，所述四个L形剖面复合材料整体呈十字状铺设在捻子条的四个相同铺面上。所述缘条固定件为复合材料缘条加强件或复合材料缘条加强组合件。所述复合缘条加强件为圆形金属件，内部为与复合材料杆形状配合的十字形中空结构。

所述复合材料缘条加强组合件包括固定泡沫、复合材料角片和复合材料圆管，所述固定泡沫为紧贴四个L形剖面复合材料放置的泡沫，所述复合材料角片设置在固定泡沫上，所述复合材料圆管同时包覆固定泡沫和复合材料角片，所述复合材料角片的弧度等于1/4复合材料圆管，，泡沫用于固定复合材料角片位置以提高缘条抗失稳能力，复材圆管用于保护杆件的结构完整性并进一步提高其抗失稳能力。所述金属接头有两个，分别对称设置在复合材料杆两端，每个金属接头均包括双剪耳片接头、接头本体和连接角片，其中双剪耳片接头包括两个耳片，两个耳片对称且平行设置，组成双剪结构，双剪耳片接头通过接头本体与连接角片连接，所述连接角片内部沿复合材料杆方向设有十字腔体，所述复合材料杆固定在十字腔体内。所述杆件结构还包括过度圆角，所述过度圆角设置在十字腔体外，固定连接所述连接角片和接头本体。所述高强螺栓固定连接相邻两个L形剖面复合材料。

所述两个金属接头可对称或非对称，与被连接件如机翼或发动机连接，单个金属结构特征有两个对称耳片、接头本体和螺栓连接端头，连接端头为双剪结构。

所述金属接头为一体制造。所述复合材料杆的本体为复合材料层压板结构，采用4个“L”剖面，中间填充单向复合材料捻子条共固化制造。所述复合材料杆件本体与金属结构采用双剪形式，通过多排多列高强螺栓进行连接，杆件设计载荷与连接强度可通过紧固件强度评估获得。所述复合材料拉伸强度远大于压缩强度的特性，为提高其压缩强度防止L型缘条失稳破坏，以一定间距设置圆形防失稳结构。所述杆件结构以紧固件进行机械连接，结合复合材料特性，承受拉伸载荷以较小的截面积承载，承受压缩载荷以较大的截面积承载，且其连接结构为可拆卸设计，以保证对接区的可装配性、可达可检性、可维护性。

作为一个具体实施例，本实用新型所述杆件结构，包括两个金属接头1、4个“L”剖面复合材料共固化组成的复合材料杆2、高强螺栓3和缘条固定件4，其中金属接头1包含耳片11、接头本体12、连接角片13；复合材料杆2包含L形剖面复合材料21和捻子条22；缘条固定件4和螺栓3若干。

作为一个具体实施例，如图1(a)和图1(b)，所述复合材料与金属接头连接的杆件结构防失稳结构可有两种结构，其一是图1(a)，采用固定泡沫41和复合材料角片42分割复合材料杆2，外层缠绕复合材料圆管43；其二是图1(b)，直接采用金属机加成图4所示防失稳结构44，杆件与结构装配前将防失稳结构44固定；

作为一个具体实施例，如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示，所述金属接头1通过铸造成型，两个耳片11截面小于金属接头本体12，另连接角片13与金属接头本体12有过渡圆角5防止应力集中导致的疲劳失效；过渡圆角5的角片厚度可通过设计载荷确定；

作为一个具体实施例，如图3所示，所述复合材料杆件2由4个相同铺层单向带L剖面21和中心填充单向复合材料捻子条22通过共固化形成，其制备工艺与复合材料T型长绗类似；

作为一个具体实施例，如图5所示，所述复合材料杆件与金属接头连接杆件采用螺栓3进行机械连接，为可拆卸设计，以保证对接区的可装配性、可达可检性、可维护性。

本实用新型所述一种复合材料与金属接头连接的杆件结构，是飞机吊挂的重要组成部分，用于连接发动机与机翼，将发动机载荷传递至机身。具有以下特点：实现重量轻、传载效率高、金属接头与复材连接安全性高、可制备性强，装配简单。所提出的复合材料杆可以分成4个相同的L结构通过共固化成型；连接采用螺栓双剪结构以提高连接强度。吊挂下连杆作为发动机与机翼传递载荷的主要路径之一，其安全可靠性和易维护性要求较高，一般设计保守性大，减重空间也大。所述复合材料与金属接头连接的杆件结构，以复合材料作为杆件结构与金属耳片连接，以达到减重目的；所述杆件主要包括双剪耳片接头、高强螺栓、复合材料杆件，防缘条失稳加强件。

以上对本申请实施例所提供的一种复合材料与金属接头连接的杆件结构，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合材料与金属接头连接的杆件结构，其特征在于，所述杆件结构包括金属接头、复合材料杆、高强螺栓和缘条固定件，所述金属接头设置在复合材料杆两端并通过高强螺栓与复合材料杆连接，所述缘条固定件设置在复合材料杆周侧，所述金属接头通过铸造成型。

2.根据权利要求1所述的杆件结构，其特征在于，所述复合材料杆包括捻子条和四个L形剖面复合材料，所述四个L形剖面复合材料为四个具有相同铺层的单向带，所述捻子条为具有四个相同铺面的中心填充单向带，所述四个L形剖面复合材料整体呈十字状铺设在捻子条的四个相同铺面上。

3.根据权利要求2所述的杆件结构，其特征在于，所述缘条固定件为复合材料缘条加强件或复合材料缘条加强组合件。

4.根据权利要求3所述的杆件结构，其特征在于，所述复合缘条加强件为圆形金属件，内部为与复合材料杆形状配合的十字形中空结构。

5.根据权利要求3所述的杆件结构，其特征在于，所述复合材料缘条加强组合件包括固定泡沫、复合材料角片和复合材料圆管，所述固定泡沫为紧贴四个L形剖面复合材料放置的泡沫，所述复合材料角片设置在固定泡沫上，所述复合材料圆管同时包覆固定泡沫和复合材料角片，所述复合材料角片的弧度等于1/4复合材料圆管。

6.根据权利要求1所述的杆件结构，其特征在于，所述金属接头有两个，分别对称设置在复合材料杆两端。

7.根据权利要求6所述的杆件结构，其特征在于，每个金属接头均包括双剪耳片接头、接头本体和连接角片，其中双剪耳片接头包括两个耳片，两个耳片对称且平行设置，组成双剪结构，双剪耳片接头通过接头本体与连接角片连接。

8.根据权利要求7所述的杆件结构，其特征在于，所述连接角片内部沿复合材料杆方向设有十字腔体，所述复合材料杆固定在十字腔体内。

9.根据权利要求8所述的杆件结构，其特征在于，所述杆件结构还包括过度圆角，所述过度圆角设置在十字腔体外，固定连接所述连接角片和接头本体。

10.根据权利要求2所述的杆件结构，其特征在于，所述高强螺栓固定连接相邻两个L形剖面复合材料。

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