花键型异形截面复合材料型材的连接结构及连接方法技术

本发明专利技术提出一种花键型异形截面复合材料型材的连接结构及连接方法，包括纤维增强复合材料管、金属内套和金属花键套。所述纤维增强复合材料管采用拉挤成型的工艺制作而成，横截面采用花键型异形截面，端部外壁和内壁分别设有金属花键套和金属内套，金属花键套内壁设有与异形截面相匹配的内花键。金属花键套和纤维增强复合材料管间通过界面处的摩擦力或胶粘剂，实现复合材料和金属材料部件的高效连接，通过挤压工艺辅以过盈配合来提高径向预应力进而提高接触界面摩擦力或胶层剪切强度。本发明专利技术可提升复合材料杆件母材的利用效率和连接接头的承载力，特别是接头的承拉、承压和承扭能力得到明显提升。能力得到明显提升。能力得到明显提升。

【技术实现步骤摘要】
花键型异形截面复合材料型材的连接结构及连接方法


[0001]本专利技术属于复合材料连接件
，具体涉及一种花键型异形截面复合材料型材的连接结构及连接方法。

技术介绍

[0002]纤维增强复合材料具有比强度高、比模量大、可设计性好、耐腐蚀等显著优点，在航空航天、船舶海洋、土木和建筑结构等中得到了越来越广泛的应用。在实际应用中，复合材料连接方法一直是复合材料结构涉及的关键技术和研究重难点。
[0003]目前，复合材料拉挤型材的截面多采用常规圆管型，针对圆管截面的复材连接方法主要采用胶连接、螺栓连接和预紧力齿连接等方式，其中螺栓连接和预紧力齿连接则通常需对构件截面开孔或开槽，存在制孔导致孔周局部应力集中或环向开槽使复合材料纵向纤维断裂的问题，极大浪费母材。采用胶连接时，虽不削弱杆件截面，但存在界面强度低、连接效率有限的缺陷。
[0004]现有连接方式由于固有缺陷且不能较好地适用于异形截面型材，限制了复合材料异形截面型材的应用和推广。因此，需要研发一种专门针对异形截面的新型复合材料连接技术，同时具有连接效率高、截面削弱率低、力学性能好、加工制备工艺简单等优点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种花键型异形截面复合材料型材的连接结构及连接方法，克服现有技术连接效率低、力学性能不稳定、制备工艺复杂、不适用于异形截面复合材料型材的缺陷。
[0006]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：第一方面，本专利技术提供一种花键型异形截面复合材料型材的连接结构，包括纤维增强复合材料管；所述纤维增强复合材料管的横截面为花键型异形截面；所述纤维增强复合材料管的端部外壁和内壁分别设有金属花键套和金属内套，所述金属花键套内壁上设有与异形截面相匹配的内花键；所述金属内套通过过盈配合方法设置在所述纤维增强复合材料管的内壁，所述金属花键套和金属内套通过挤压设备相配合夹固在所述纤维增强复合材料管的内外侧，实现复合材料和金属材料部件的高效连接。
[0007]上述设置的效果：相比相同面积的常规复材圆管截面，因花键型异形截面连接接触面积大，可在采用机械摩擦力传力提高承载效率。所述异形截面的周长与面积之比大于相同面积的常规圆管截面的周长面积比，可以显著提高所述金属花键套与所述纤维增强复合材料管的环周接触面面积。同时，所述花键型异形截面的惯性矩、截面系数和回转半径等力学属性相较于相同面积的常规圆管截面，均有提高。
[0008]进一步的，所述金属花键套和纤维增强复合材料管间挤压前填充有胶粘剂；
上述设置的效果：改善纤维增强复合材料管与金属花键套界面间的力学性能，提高接头的延性承载性能。填充胶粘剂时，金属花键套和纤维增强复合材料管间通过界面处的胶粘剂，实现复合材料和金属材料部件的高效连接，通过挤压工艺辅以过盈配合来提高径向预应力进而提高接触界面胶层剪切强度，克服单独采用胶连接时接头连接强度低的缺陷。
[0009]进一步的，所述纤维增强复合材料管采用拉挤成型的工艺制作而成，通过设置特定形状的花键型金属模具，完成所述纤维增强复合材料异形截面构件的制备。
[0010]进一步的，所述纤维增强复合材料管的内花键外围的纤维含量应高于内侧的纤维含量。
[0011]进一步的，所述金属花键套的内环周轮廓线与所述纤维增强复合材料管的外环周轮廓线相重合；所述金属内套外径大于所述纤维增强复合材料管的内径。
[0012]进一步的，所述内花键的横截面采用三角形、锯齿形、矩形、阶梯形或渐开线齿形构型。
[0013]进一步的，所述金属花键套上设有法兰结构；所述法兰结构上设有螺栓孔；两个金属花键套通过所述法兰结构和穿设在螺栓孔中的螺栓连接。
[0014]或者，多个金属花键套之间通过设置螺纹相互连接或者通过焊接连接。
[0015]进一步的，所述纤维增强复合材料管为玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料或玄武岩纤维增强复合材料或芳纶纤维增强复合材料或混杂纤维增强复合材料制成。
[0016]第二方面，本专利技术提供一种花键型异形截面复合材料型材的连接方法，基于第一方面所述的结构，包括：步骤一：预先制作特定形状的模具，采用拉挤成型的方法，制作预定的异形截面的纤维增强复合材料管；步骤二：采用液氮将金属内套冷却收缩，而后采用千斤顶和反力架将金属内套快速压入纤维增强复合材料管中，使金属内套与纤维增强复合材料管相平齐；步骤三：采用管径相匹配的挤压设备在金属花键套上施加均匀的挤压量，使得金属花键套与纤维增强复合材料管紧密结合；在挤压过程中，需确保纤维增强复合材料管放入挤压设备的一端与另一端保持在同一高度，以保证装配的精度，同时，精准控制金属花键套与纤维增强复合材料管的相对位置准确。
[0017]进一步的，所述方法还包括：a.对金属花键套内壁和纤维增强复合材料管外壁进行表面处理，除去表面污染物，增加有效胶接面积，增大表面粗糙度；b.根据金属材料和使用条件合理配置胶粘剂，在处理好的金属表面及时涂一层薄薄的底胶，保护表面防止环境污染和湿气吸附；c.采用滚涂法，将胶粘剂均匀涂抹在金属花键套和纤维增强复合材料管的表面，每涂抹一层后，要晾干或烘干以除去溶剂和水份；d.涂抹完成后，在规定时间内，将金属花键套装配至纤维增强复合材料管；装配过程中，需保证精度，且定位可靠；清除胶接件上多余的胶后，适当加温固化。
[0018]进一步的，所述方法还包括：
步骤一：将法兰片焊接在待连接的两根纤维增强复合材料管的端部金属花键套上，保证纤维增强复合材料管与法兰片的中心在同一水平面；步骤二：将法兰垫片或密封圈放入金属花键套端法兰片的连接端面，并保证连接面结合紧密；步骤三：在对称位置均匀紧固螺栓。
[0019]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：1、相比现有针对常规复合材料圆管截面的传统复合材料连接方法，本专利技术所提出的新型连接方法适用于花键型异形截面复合材料拉挤型材，相比相同面积的常规复材圆管截面，可通过同步改善复合材料常规圆管截面力学性能和增加复合材料管材环周接触面积的方式，有效提升复合材料型材母材的利用效率，在采用机械摩擦作用传力时提高接头承载效率，特别是接头的承拉和承压能力。
[0020]2、本申请的花键型异形截面型材相比相同面积的常规圆管截面型材，具有更大的接触面积和更好的局部稳定性及美观性，同时抗扭惯性矩、截面系数和回转半径等力学属性也均有所提高，且因连接界面处复合材料环向花键型肋条对金属花键套的剪切限位作用，还可提高接头承扭时的承载效率。
[0021]3、本申请不需对纤维增强复合材料管进行截面开孔或齿槽，纤维增强复合材料管纵向纤维不会断裂，避免了传统连接方式因复材截面削弱和极大浪费复材母材的问题，连接效率高。
[0022]4、本申请的花键型接头的加工制备可采用工艺简单成熟且力学机理明确的冷挤压和过盈配合方法，工序少、生产效率高，工艺稳定性好，质量可靠，成本低。
[0023]5、本申请所提出的新型连接方法，通过挤压前在金属花键套和纤维增强复合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种花键型异形截面复合材料型材的连接结构，其特征在于，包括纤维增强复合材料管(1)；所述纤维增强复合材料管(1)的横截面为花键型异形截面；所述纤维增强复合材料管(1)的端部外壁和内壁分别设有金属花键套(2)和金属内套(4)，所述金属花键套(2)内壁上设有与异形截面相匹配的内花键(3)；所述金属内套(4)通过过盈配合方法设置在所述纤维增强复合材料管(1)的内壁，所述金属花键套(2)和金属内套(4)通过挤压设备相配合夹固在所述纤维增强复合材料管(1)的内外侧，实现复合材料和金属材料部件的高效连接。2.根据权利要求1所述的花键型异形截面复合材料型材的连接结构，其特征在于，所述纤维增强复合材料管(1)采用拉挤成型的工艺制作而成，通过设置特定形状的花键型金属模具，完成所述纤维增强复合材料异形截面构件的制备。3.根据权利要求1所述的花键型异形截面复合材料型材的连接结构，其特征在于，所述纤维增强复合材料管(1)的内花键(3)外围的纤维含量应高于内侧的纤维含量。4.根据权利要求1所述的花键型异形截面复合材料型材的连接结构，其特征在于，所述金属花键套(2)的内环周轮廓线与所述纤维增强复合材料管(1)的外环周轮廓线相重合；所述金属内套(4)外径大于所述纤维增强复合材料管(1)的内径。5.根据权利要求1所述的花键型异形截面复合材料型材的连接结构，其特征在于，所述金属花键套(2)和纤维增强复合材料管(1)间挤压前填充有胶粘剂。6.根据权利要求1所述的花键型异形截面复合材料型材的连接结构，其特征在于，所述金属花键套(2)上设有法兰结构；所述法兰结构上设有螺栓(5)孔；两个金属花键套(2)通过所述法兰结构和穿设在螺栓(5)孔中的螺栓(5)连接；或者，多个金属花键套(2)之间通过设置螺纹相互连接或者通过焊接连接。7.一种花键型异形截面复合材料型材的连接方法，其特征在于，基于权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：张冬冬，高一峰，邵飞，吕晨曦，张中威，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：