一种复合材料蒙皮与桁架的连接方法技术

本发明专利技术涉及一种复合材料蒙皮与桁架的连接方法；制作用于与桁架连接的预制件，预制件包括连接部和位阻部，连接部包括第一连接段和第二连接段；根据连接部横截面积对纤维增强织物进行剪裁，在桁架上铺设，形成第一复合材料蒙皮；第二连接段穿过第一复合材料蒙皮与桁架固接；根据位阻部形状对纤维增强织物进行剪裁，在第一复合材料蒙皮上铺设，形成第二复合材料蒙皮；在第二复合材料蒙皮上铺设第三复合材料蒙皮和第四复合材料蒙皮，固化，完成复合材料蒙皮和桁架的连接；通过复合材料蒙皮与预制件一体成型，解决了使用螺钉或铆钉将复合材料蒙皮与桁架进行紧固，需要孔位加工，蒙皮局部区域存在变形，超载时相关连接失效，导致蒙皮脱落的技术问题。皮脱落的技术问题。皮脱落的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料蒙皮与桁架的连接方法


[0001]本专利技术涉及复合材料领域，尤其是涉及一种复合材料蒙皮与桁架的连接方法。

技术介绍

[0002]自复合材料问世以来，其优异的性能受到各个行业的青睐，被广泛地应用于国防军事、航空航天、信息技术、能源工程、船舶与海洋工程等领域。与传统材料相比，复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度大、良好的耐腐蚀性和抗疲劳以及铺层可设计性等优点。复合材料舰船作为复合材料在船舶与海洋工程领域最重要的应用之一。
[0003]与钢制材料相比，优势在于：质量轻，高比强度，抗冲击强度好；良好的抗疲劳性能；无磁性，可以达到很好的隐身功能，能够有效躲避多种打击装备；耐蚀性好，可延长寿命，抗海生物附着，减少维修；可按照需求性能自行制作；表面多次加工；此外还有优良的声/介电性能、耐高温、减震性等一系列优点。
[0004]复合材料已应用于导流罩相关组件，如舰船艏部的球鼻艏、水下航行器整流罩、飞行器或航空器的导流罩及锥体等，在这些应用中桁架结构加复合材料蒙皮的组合是较为常用的一种形式，在为整体结构减重的基础功能之上、通过复合材料的设计使其具有不同功能，如耐热、烧蚀、透波等不同功能的实现，这些是金属材料不可能实现的功能，复合材料在该零部件领域的应用成为必然。但是，由于复合材料与桁架之间的连接性能相对复合材料本体及桁架自身强度而言较弱，在受到较大载荷时，通常会出现复合材料与桁架分离的现象，如何加强复合材料与桁架之间的连接结构性能成为多方开展研究的重点。
[0005]目前所使用的技术方案多为将复合材料蒙皮成型后，将蒙皮与桁架进行适配固定，在蒙皮表面进行后处理打孔，与桁架进行机械连接，该技术方案根据连接载荷进行螺钉或铆钉的尺寸、密度进行计算，已应用于部分小型飞行器的机翼或机舱蒙皮部分。
[0006]现有技术方案及单一的机械连接，使用螺钉或铆钉将复合材料蒙皮与金属桁架进行紧固，一个构件往往需要很多孔位的加工。其次，在蒙皮与桁架进行适配的过程中，往往无法做到完全随型，复合材料局部区域存在变形，虽然紧固在桁架上，但是存在较大的应力，这些应力是后续使用过程中的隐患。再次，复合材料蒙皮与桁架的连接仅由螺钉进行的机械连接，在决定连接强度的是在螺钉底部的复合材料的剪切性能，在超载时，实质的破坏形式为复合材料蒙皮在螺钉底部首先出现损伤，继而导致相关联局部连接失效，最后导致蒙皮脱落，因此不改变连接形式，无法有效提升复合材料蒙皮与桁架的连接性能。
[0007]因此，针对上述问题本专利技术急需提供一种复合材料蒙皮与桁架的连接方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供复合材料蒙皮与桁架的连接方法，通过复合材料蒙皮与预制件一体成型，解决了使用螺钉或铆钉将复合材料蒙皮与桁架进行紧固，需要很多孔位的加工，复合材料蒙皮局部区域存在变形，超载时相关联局部连接失效，导致复合材料蒙皮脱落的技术问题。
[0009]本专利技术提供的一种复合材料蒙皮与桁架的连接方法，包括以下步骤：S1：制作用于与桁架连接的预制件，预制件包括连接部和位阻部，连接部包括第一连接段和第二连接段，第二连接段上设有螺纹，根据铺设在桁架上复合材料蒙皮的压缩强度、总厚度和连接部横截面积，确定第一连接段和位阻部的尺寸，其中，位阻部的厚度、第一连接段的高度和复合材料蒙皮总厚度满足公式1/2h≤h2≤2/3h，h为复合材料蒙皮的总厚度，h1为位阻部的厚度，h2为第一连接段的高度；S2：根据连接部的横截面积对纤维增强织物进行剪裁，使得纤维增强织物上形成连接部可穿过的第一穿孔，在桁架上逐层铺设剪裁完的纤维增强织物，形成第一复合材料蒙皮，第一复合材料蒙皮的厚度等于第一连接段的高度；S3：将连接部一端穿过第一复合材料蒙皮的第一穿孔，连接部的第二连接段伸入桁架内与桁架螺接紧固；S4：根据位阻部的形状对纤维增强织物进行剪裁，使得纤维增强织物上形成位阻部可穿过的第二穿孔，在第一复合材料蒙皮上逐层铺设剪裁完的纤维增强织物，形成第二复合材料蒙皮，第二复合材料蒙皮的厚度与位阻部的厚度相同；S5：在第二复合材料蒙皮上逐层铺设增强纤维增强织物，形成第三复合材料蒙皮和第四复合材料蒙皮，加热固化，第一复合材料蒙皮、第二复合材料蒙皮、第三复合材料蒙皮和第四复合材料蒙皮与预制件一体成型，完成复合材料蒙皮和桁架的连接。
[0010]本专利技术提供的复合材料蒙皮与桁架的连接方法，由于在复合材料蒙皮及桁架之间增加预制件结构，使得复合材料蒙皮与桁架的连接形式由机械连接优化为通过预制件形成混合连接结构，充分利用预制件的可设计性特点，改善了复合材料蒙皮和桁架连接性能弱、易发生局部复合材料蒙皮脱离、连接螺钉断裂等问题，提高了复合材料蒙皮与桁架的连接性能；通过模块化设计理念，可根据桁架实际情况调整复合材料蒙皮厚度、复合材料蒙皮内预制件尺寸、数量、间距、空间排布等参数，以获得复合材料蒙皮与桁架最佳的连接性能；在结构上，提高了复合材料蒙皮与桁架的连接性能，成型制备方法具有良好的可实施性及可靠性，成型难度显著降低，使得结构更符合实际应用，具有广泛的应用前景。
[0011]优选地，预制件承载能力设计满足以下公式：F
a
= F1+F2+F3；其中，F1=σ1S1；F2=σ2（S1‑
S2）；F3=σ3S2；其中，F
a
为预制件的承载能力，F1为位阻部上表面载荷，F2为位阻部下表面载荷，F3为第二连接段底端载荷，σ1为位阻部上表面与第三复合材料蒙皮的层间粘接强度，σ2为第一复合材料蒙皮、第二复合材料蒙皮和第三复合材料蒙皮层间粘结强度，σ3为预制件材料拉伸/压缩强度；S1为位阻部上表面面积，S2为连接部横截面面积。
[0012]σ1、σ2和σ3为测试数据或查阅相关材料中获得，σ3为预制件材料拉伸强度或者压缩强度，取决于载荷方向。
[0013]当F2＞F3，且相差较大时，则该连接结构破坏模式为连接部断裂脱出，导致结构失效；
当F2＜F3，且相差较大时，则该连接结构破坏模式为第一复合材料蒙皮材料压缩损伤或预制件位阻部损伤，导致结构失效；因此，在设计时，应注意使F2与F3两者相等或相近，将两者的协同承载发挥最大，形成最优解。
[0014]优选地，预制件的破坏载荷设计满足以下公式：F
b
=σ3h1=σ2h2；其中，F
b
为预制件的破坏载荷。
[0015]预制件的设计，改变了复合材料蒙皮承载时的受力模式，将以层间剪切破坏模式变为以压缩、弯曲为主的破坏模式，能够提升复合材料蒙皮与桁架的连接性能，为有效控制整体结构重量以及提高生产效率，在复合材料蒙皮总厚度h和连接部横截面面积S2确定的前提下，进行合理的预制件结构设计形成最优解，并进行试验验证，能够最大化提升整体连接结构的性能。
[0016]优选地，步骤S1中对预制件进行预处理，处理方法是酸碱处理、喷砂、表面阳极化处理或喷涂表面处理剂中的至少一种，进行试验验证，优选与所选用复合材料体系相匹配的预制件处理手段。
[0017]优选地，步骤S5中铺设第三复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料蒙皮与桁架的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：制作用于与桁架（1）连接的预制件（2），预制件（2）包括连接部（21）和位阻部（22），连接部（21）包括第一连接段（211）和第二连接段（212），第二连接段（212）上设有螺纹，根据铺设在桁架（1）上复合材料蒙皮的压缩强度、总厚度和连接部（21）横截面积，确定第一连接段（211）和位阻部（22）的尺寸，其中，位阻部（22）的厚度、第一连接段（211）的高度和复合材料蒙皮总厚度满足公式1/2h≤h2≤2/3h，h为复合材料蒙皮的总厚度，h1为位阻部（22）的厚度，h2为第一连接段（211）的高度；S2：根据连接部（21）的横截面积对纤维增强织物进行剪裁，使得纤维增强织物上形成连接部（21）可穿过的第一穿孔，在桁架（1）上逐层铺设剪裁完的纤维增强织物，形成第一复合材料蒙皮（3），第一复合材料蒙皮（3）的厚度等于第一连接段（211）的高度；S3：将连接部（21）一端穿过第一复合材料蒙皮（3）的第一穿孔，连接部（21）的第二连接段（212）伸入桁架（1）内与桁架（1）螺接紧固；S4：根据位阻部（22）的形状对纤维增强织物进行剪裁，使得纤维增强织物上形成位阻部（22）可穿过的第二穿孔，在第一复合材料蒙皮（3）上逐层铺设剪裁完的纤维增强织物，形成第二复合材料蒙皮（4），第二复合材料蒙皮（4）的厚度与位阻部（22）的厚度相同；S5：在第二复合材料蒙皮（4）上逐层铺设增强纤维增强织物，形成第三复合材料蒙皮（5）和第四复合材料蒙皮（6），加热固化，第一复合材料蒙皮（3）、第二复合材料蒙皮（4）、第三复合材料蒙皮（5）和第四复合材料蒙皮（6）与预制件（2）一体成型，完成复合材料蒙皮和桁架（1）的连接。2.根据权利要求1所述的复合材料蒙皮与桁架的连接方法，其特征在于，预制件（2）承载能力设计满足以下公式：F
a
= F1+F2+F3；其中，F1=σ1S1；F2=σ2（S1‑
S2）；F3...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晋伟，吕云飞，李嘉生，丁萍，
申请(专利权)人：北京玻钢院复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：