新型花键型复合材料连接结构及连接方法技术

本发明专利技术提出一种新型花键型复合材料连接结构及连接方法，包括纤维增强复合材料管、金属花键套、金属内套；所述金属花键套设有内花键，但纤维增强复合材料管不设置相对应的外花键；金属花键套和金属内套通过挤压设备相配合分别紧固在所述纤维增强复合材料管的外侧和内侧，挤压过程中金属花键套发生塑性变形及直径缩小、纤维增强复合材料发生局部变形，进而使内花键强行嵌入至纤维增强复合材料管的纵向纤维和树脂中，使得纤维增强复合材料管外壁和金属花键套内壁紧密结合。本发明专利技术通过金属花键套和纤维增强复合材料管之间界面处的摩擦作用、咬合作用和剪切作用实现不同材料间的有效连接和荷载传递，传力机理明确、力学性能好，可实现高承载。可实现高承载。可实现高承载。

【技术实现步骤摘要】
新型花键型复合材料连接结构及连接方法


[0001]本专利技术属于复合材料连接件
，具体涉及一种新型花键型复合材料连接结构及连接方法。

技术介绍

[0002]采用纤维增强复合材料制作的型材具有质量轻、比强度和比刚度高、可设计性好、耐腐蚀性好和运输架设轻便等显著优点，在土木工程结构中得到了越来越多的应用。在实际应用中，对于拼装式复合材料结构，复合材料构件之间及与金属构件之间存在各种节点，复合材料构件不可避免地要与金属部件连接，而复合材料和金属材料间不可以直接进行焊接，因此复合材料连接技术一直是复合材料研究和应用的重难点。
[0003]目前，复合材料连接方式主要有螺栓连接、铆接、胶连接和预紧力齿连接等技术，但都存在诸多弊端。其中，螺栓连接和铆接制孔导致孔周存在应力集中，且对复合材料构件有效截面削弱较大、极大浪费母材，连接效率低。胶连接强度较低，应力分布不均匀，工艺不稳定，耐久性较差，力学性能离散性较大，且不可拆卸。预紧力齿连接虽然连接效率高，但不同齿间承力不均匀，接头承载力主要受首道齿槽承载能力及破坏模式控制，可设计性不强；加工制备时需对复合材料管环向开槽而造成纵向纤维断裂和截面削弱，存在母材浪费问题；受复合材料环向齿槽构造限制，所能施加的预紧力有限，易引起复合材料环向齿槽初始局部压溃破坏；另外，复合材料环向齿槽的加工难度大、施工工艺复杂，接头造价较高。
[0004]因此，需要研发一种具有截面削弱率低、连接效率高、力学性能好、可设计性强、无需对复合材料管进行二次加工、接头制备工艺简单等优点的新型复合材料连接技术。

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，提供一种新型花键型复合材料连接结构及连接方法，克服现有技术中需对复合材料构件进行二次加工、复合材料纤维损伤大、截面削弱率高、材料利用率不高、连接效率低、力学性能不稳定、制备工艺复杂、不便于土木工程结构大规模应用的缺陷。
[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新型花键型复合材料连接结构，包括纤维增强复合材料管，所述纤维增强复合材料管上设有金属花键套和金属内套；所述金属花键套和金属内套通过挤压设备相配合分别紧固在所述纤维增强复合材料管的外侧和内侧，挤压过程中金属花键套发生塑性变形及直径缩小、纤维增强复合材料发生局部变形，进而使所述内花键强行嵌入至纤维增强复合材料管的纵向纤维和树脂中，使得所述纤维增强复合材料管外壁和所述金属花键套内壁紧密结合。
[0007]上述设置的效果：所述金属花键套和所述纤维增强复合材料管之间依靠二者接触界面的摩擦作用、咬合作用和层间剪切作用传递荷载，实现两种不同材料的部件之间的高效连接，传力机理明确，可实现高承载。
[0008]进一步的，所述金属花键套内侧环向设有内花键，所述纤维增强复合材料管不设置相对应的外花键；所述内花键数量为多个，在环向沿所述纤维增强复合材料管均匀布置，在纵向沿所述纤维增强复合材料管连续或断续方式布置。
[0009]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等有利于挤压嵌入的构型。
[0010]进一步的，所述金属花键套制作完成时，所述内花键齿尖距纤维增强复合材料管中心线的距离等于所述纤维增强复合材料管的外半径；所述金属花键套装配过程中，基于挤压法方式，使所述内花键强行嵌入至所述纤维增强复合材料管的纵向纤维和树脂中，所述金属花键套的内壁与所述纤维增强复合材料管的外壁紧密结合；所述金属花键套与所述纤维增强复合材料管间的接触面为所述内花键嵌入圆管截面后所构成的花键型异形截面。
[0011]上述设置的效果：内花键嵌入圆管截面后所构成的异形截面相比相同面积的圆管截面，所述异形截面的惯性矩和周长均有提高。
[0012]进一步的，所述纤维增强复合材料管成型过程中，圆管外围靠近内花键齿尖处局部区域的连续纤维含量略低于齿根处和其他部位的纤维含量。
[0013]上述设置的效果：纤维含量变化便于内花键挤压嵌入，且尽量减小挤压过程中金属花键套的内花键齿对连续纤维的损伤破坏。
[0014]进一步的，金属内套挤压装配前设置过盈量，其外径略大于纤维增强复合材料管的内径，通过冷却收缩后安装入纤维增强复合材料管中。
[0015]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；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。
[0016]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。
[0017]进一步的，所述纤维增强复合材料管可通过拉挤、缠绕、手糊、模压、真空辅助、3D打印、液体成型等工艺制备而成。
[0018]第二方面，本专利技术提供一种新型花键型复合材料连接方法，基于第一方面所述的结构，包括：步骤一：先将金属花键套置于纤维增强复合材料管外侧，然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二者端面相平齐；步骤二：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，使得金属花键套内壁设置的内花键强行嵌入所述纤维增强复合材料管中，进而使得纤维增强复合材料管外壁与金属花键套内壁紧密结合；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。
[0019]进一步的，所述方法还包括：连接强度要求更高时，先将金属花键套置于纤维增强复合材料管外侧，然后，将金属内套通过冷装法过盈配合于纤维增强复合材料管内，具体为先采用液氮将金属内套冷却收缩，后采用机械方法快速压入纤维增强复合材料管内；而后，通过挤压设备分别将金属花键套与金属内套紧固于纤维增强复合材料管的外侧和内侧。
[0020]进一步的，所述方法还包括：步骤一：按照金属法兰连接的要求，将法兰片焊接在待连接的两根纤维增强复合材料管端部的金属花键套上，需保证纤维增强复合材料管与法兰片的中心在同一水平面。
[0021]步骤二：将法兰垫片或密封圈放入金属花键套端部相邻法兰片的连接端面之间，并保证连接面结合紧密。
[0022]步骤三：对称位置均匀紧固螺栓。
[0023]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：（1）接头组装过程中，通过挤管机等挤压设备将金属花键套的内花键逐渐嵌入至复合材料管壁外围，可以避免传统复合材料螺栓连接和现有预紧力齿连接在接头加工时对复合材料纵向连续纤维造成大幅破断损伤及截面削弱的问题，提高复合材料利用效率和接头连接效率，且无需采用特殊设备对复合材料管进行二次加工，接头加工制备工艺简单。
[0024]（2）接头组装过程中，通过挤压法施加预定挤压量而将金属花键套内花键强行嵌入至复合材料管时，金属花键套与纤维增强复合材料管紧密结合且产生径向预本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型花键型复合材料连接结构，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)上设有金属花键套(2)和金属内套(4)；所述金属花键套(2)和金属内套(4)通过挤压设备相配合分别紧固在所述纤维增强复合材料管(1)的外侧和内侧，挤压过程中金属花键套(2)发生塑性变形及内外径缩小、纤维增强复合材料管（1）发生局部变形，进而使所述内花键（3）强行嵌入至纤维增强复合材料管（1）中，使得所述纤维增强复合材料管（1）外壁和所述金属花键套(2)内壁紧密结合。2.根据权利要求1所述的新型花键型复合材料连接结构，其特征在于，所述金属花键套(2)内侧环向设有内花键(3)，所述纤维增强复合材料管(1)不设置相对应的外花键；所述内花键(3)数量为多个，在环向沿所述纤维增强复合材料管(1)均匀布置，在纵向沿所述纤维增强复合材料管(1)连续或断续方式布置。3.根据权利要求2所述的新型花键型复合材料连接结构，其特征在于，所述内花键(3)的横截面采用三角形、锯齿形、矩形、阶梯形或渐开线齿形的构型。4.根据权利要求1所述的新型花键型复合材料连接结构，其特征在于，所述金属花键套(2)制作完成时，所述内花键(3)齿尖距纤维增强复合材料管(1)中心线的距离等于所述纤维增强复合材料管(1)的外半径；所述金属花键套(2)装配过程中，基于挤压法方式，使所述内花键(3)嵌入至所述纤维增强复合材料管(1)的纵向纤维和树脂中，所述金属花键套(2)的内壁与所述纤维增强复合材料管(1)的外壁紧密结合；所述金属花键套(2)与所述纤维增强复合材料管(1)间的接触面为所述内花键(3)嵌入圆管截面后所构成的花键型异形截面。5.根据权利要求1所述的新型花键型复合材料连接结构，其特征在于，所述纤维增强复合材料管(1)成型过程中，圆管外围靠近内花键(3)齿尖处局部区域的连续纤维含量略低于齿根处和其他部位的纤维含量。6.根据权利要求1所述的新型花键型复合材料连接结构，其特征在于，金属内套(4)挤压装配前设置过盈量，其外径略大于纤维增强复合材料管(1)的内径，通过冷却收缩后安装入...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬冬，吕晨曦，高一峰，邵飞，崔辉如，
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：