本發(fā)明主要屬于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合材料中空桿與金屬接頭的連接結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛為飛機(jī)主要承力部件，可以分為中央盒段、上部整流罩和后部整流罩等幾部分。其中，吊掛盒段為梁式框架結(jié)構(gòu)，用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼，如圖1所示。對于超靜定結(jié)構(gòu)的吊掛盒段來說，下連桿一般用于連接吊掛和機(jī)翼下翼面，主要傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)推力，承受拉壓載荷。傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)下連桿方案多采用金屬連桿+金屬接頭一體機(jī)加成型，所用材料包括鈦合金和高強(qiáng)鋼，具體方案需要依據(jù)機(jī)型設(shè)計(jì)特點(diǎn)、要求以及供應(yīng)商制造能力來確定。對于翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，相比于吊掛傳統(tǒng)下連桿設(shè)計(jì)，復(fù)合材料中空桿+金屬接頭的設(shè)計(jì)方案可以減重35％～80％，潛在效益巨大。目前，波音787飛機(jī)吊掛下連桿已采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)方案，接頭采用鈦合金，獲得了良好的使用效果。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)的連接形式通常包含膠接和機(jī)械連接。由于該連桿傳遞載荷較高，因此膠接連接無法滿足要求；若采用機(jī)械連接(圖2)，由于復(fù)合材料中空桿的可達(dá)性較差，只能采用鉚釘進(jìn)行單面安裝，裝配性和可檢性方面也存在較多問題。

復(fù)材連桿與金屬接頭之間的連接是吊掛復(fù)合材料下連桿設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在。目前，航空類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件多是平面或者大曲面類板結(jié)構(gòu)，對于這類結(jié)構(gòu)，無論是設(shè)計(jì)分析方法還是制造工藝都已經(jīng)成熟。但是對于桿類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究甚少，特別是能夠承受巨大拉壓載荷的桿類結(jié)構(gòu)，更是缺乏可供參考的設(shè)計(jì)分析方法和制造工藝。如何在設(shè)計(jì)以及制造工藝上，突破復(fù)合材料連桿與金屬接頭之間的連接技術(shù)，是完成復(fù)合材料連桿設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的關(guān)鍵一環(huán)。

波音公司于1984復(fù)材桿與金屬接頭之間的拉伸載荷轉(zhuǎn)化為hoop載荷，也即90°的碳纖維tension載荷，壓縮載荷通過復(fù)材與金屬的接觸面?zhèn)鬟f。Rolls-Royce公司于2014年提出了一種復(fù)合材料渦輪軸與金屬接頭的連接方案。該方案設(shè)計(jì)了花鍵形式的內(nèi)、外金屬接頭，將復(fù)材預(yù)浸料鋪貼到內(nèi)金屬接頭上，而后連接外金屬接頭將復(fù)材壓實(shí)到花鍵中，從而傳遞扭矩。

對于波音公司專利方案，其傳遞壓縮載荷時(shí)存在明顯不足，復(fù)材面外性能較差，若通過復(fù)材截面與金屬接頭的接觸來傳遞壓縮載荷，很容易導(dǎo)致復(fù)材的壓潰，從而造成結(jié)構(gòu)失效。另外該方案也沒有考慮復(fù)材吸濕老化可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)松弛問題。對于Rolls-Royce公司專利方案，其主要為傳扭軸設(shè)計(jì)，傳遞拉壓載荷能力不足。

需要解決的技術(shù)問題主要包括以下2點(diǎn)：(1)簡潔、有效地將復(fù)材中空桿的拉壓載荷傳遞到金屬接頭；(2)考慮制造、材料老化和疲勞等方面的因素，防止復(fù)材中空桿與金屬接頭連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生間隙。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種復(fù)合材料中空桿與金屬接頭的連接結(jié)構(gòu)。將金屬接頭設(shè)計(jì)成中間粗、兩端細(xì)的紡錘形，復(fù)合材料中空桿在紡錘形金屬接頭上固化成型，達(dá)到復(fù)材中空桿和金屬接頭連接的目的；金屬接頭分為主金屬接頭和副金屬接頭，兩者之間通過自鎖螺紋連接。復(fù)合材料中空桿固化后通過自鎖螺紋反向擰緊(即互相分離的趨勢)，使復(fù)材中空桿連接區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)緊力，防止連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)并改善其疲勞性能。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種復(fù)合材料中空桿與金屬接頭的連接結(jié)構(gòu)，所述連接結(jié)構(gòu)包括復(fù)材中空桿1、主金屬接頭2和副金屬接頭3；主金屬接頭2和副金屬接頭3均為空心結(jié)構(gòu)，通過自鎖螺紋4連接，構(gòu)成中間粗、兩端細(xì)的紡錘構(gòu)型；復(fù)材中空桿1可通過將復(fù)合材料鋪覆在主金屬接頭2和副金屬接頭3構(gòu)成的紡錘型結(jié)構(gòu)上固化形成；自鎖螺紋(4)連接主金屬接頭(2)和副金屬接頭(3)同時(shí)使復(fù)材中空桿連接區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)緊力；紡錘構(gòu)型由粗向細(xì)變化部分的截面為梯形，兩梯形的夾角由連接結(jié)構(gòu)截面需要承載的載荷大小來設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述主金屬接頭可分劃為五部分，

所述五部分分別為第一圓柱體、第一圓錐體、第二圓柱體、第二圓錐體和第三圓柱體；第二圓柱體的兩端分別與第一圓錐體直徑較大一端和第二圓錐體直徑較大一端相連，

第一圓錐體直徑較小一端與第一圓柱體相連，第二圓錐體直徑較小一端與第三圓柱體相連；

第一圓錐體直徑的最小直徑與第一圓柱體的直徑相同、第二圓錐體直徑的最小直徑與第三圓柱體的直徑相同，第二圓錐體直徑的最大直徑與第二圓柱體的直徑相同，第一圓錐體直徑的最大直徑大于第二圓柱體的直徑；所述第二圓柱體和第三圓柱體的外表面設(shè)置有螺紋；

所述直徑包括內(nèi)徑和外徑。

進(jìn)一步地，所述副金屬接頭3可分劃為三部分，所述三部分包括第四圓柱體、第三圓錐體和第五圓柱體；第三圓錐體直徑較大一端與第四圓柱體相連，第三圓錐體直徑較小一端與第五圓柱體相連；第三圓錐體的內(nèi)經(jīng)與第二圓錐體的外徑相同，第四圓柱體的內(nèi)徑與第第二圓柱體的外徑相同，第五圓柱體的內(nèi)徑與第三圓柱體的外徑相同；所述第四圓柱體和第五圓柱體的外表面設(shè)置有螺紋；副金屬接頭3的螺紋與主金屬接頭的螺紋形匹配，形成自鎖螺紋4，副金屬接頭3相應(yīng)的套在主金屬接頭2上，并通過自鎖螺紋4連接。

進(jìn)一步地，所述第四圓柱體的長度較第二圓柱體的長度小1-10mm，便于主金屬接頭2和副金屬接頭3的安裝。

進(jìn)一步地，第一圓錐體與第二圓錐體的縱截面為梯形，兩梯形斜邊與豎直面夾角分別為θ1和θ2，根據(jù)所述連接結(jié)構(gòu)截面需要承載的載荷大小來設(shè)置θ1和θ2；計(jì)算公式如下：

P＝40π·tanθ·z·E₂·[ln90-ln(90-tanθ·s)]；

其中，P，金屬接頭所受載荷，單位為kN；E₂為復(fù)材的環(huán)向模量，z為金屬接頭受力后的移動(dòng)距離；x為連接結(jié)構(gòu)截面的坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，復(fù)合材料中空桿固化后通過自鎖螺紋反向擰緊，使復(fù)材中空桿連接區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)緊力，防止連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)并改善其疲勞性能。

進(jìn)一步地，主金屬接頭2外表面進(jìn)行毛化處理，用于增大與復(fù)材中空桿1內(nèi)表面之間的摩擦系數(shù)，避免兩者之間的轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，主金屬接頭2和副金屬接頭3連接后，第一圓柱體的另一端連接一芯模構(gòu)成復(fù)材陽模，芯模為外徑與第一圓柱體外徑相同的圓柱體；將預(yù)浸復(fù)合材料鋪覆在所述復(fù)材陽模上，加熱固化使復(fù)材中空桿1成形，將芯模與第一圓柱體分離，得到連接的復(fù)材中空桿1與金屬接頭。

進(jìn)一步地，所述復(fù)合中空稈在各截面的纖維方向含量相同或不同。

進(jìn)一步地，所述金屬接頭的材質(zhì)為鈦金屬合金，主金屬接頭2和副金屬接頭3各自一體成型。

進(jìn)一步地，所述復(fù)合中空稈的材質(zhì)為由單向預(yù)浸料按一定鋪層比例鋪覆的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：本發(fā)明避免了機(jī)械連接帶來的復(fù)雜性、可達(dá)性等方面的不利因素，能夠?qū)?fù)材中空桿的拉壓載荷有效傳遞到金屬接頭，且解決了可能出現(xiàn)的復(fù)材中空桿與金屬接頭之間的松弛問題。

附圖說明

圖1、本發(fā)明實(shí)施例連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2、本發(fā)明實(shí)施例連接結(jié)構(gòu)截面示意圖；

圖3、本發(fā)明實(shí)施例連接結(jié)構(gòu)受力分析示意圖；

圖中：1.復(fù)合材料中空桿、2.主金屬接頭、3.副金屬接頭、4.自鎖螺紋、201.第一圓柱體、202.第一圓錐體、203.第二圓柱體、204.第二圓錐體、205.第三圓柱體、301.第四圓柱體、302.第三圓錐體、303.第五圓柱體。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。

實(shí)施例1

一種復(fù)合材料中空桿與金屬接頭的連接結(jié)構(gòu)，如圖1所示，所述連接結(jié)構(gòu)包括復(fù)材中空桿1、主金屬接頭2和副金屬接頭3；主金屬接頭2和副金屬接頭3均為空心結(jié)構(gòu)，通過自鎖螺紋4連接，構(gòu)成中間粗、兩端細(xì)的紡錘構(gòu)型；復(fù)材中空桿1可通過將復(fù)合材料鋪覆在主金屬接頭2和副金屬接頭3構(gòu)成的紡錘型結(jié)構(gòu)上固化形成。

如圖2所示，所述主金屬接頭可分劃為五部分，主金屬接頭各部分之間無特別長度關(guān)系，僅取決于各零件之間的配合。

所述五部分分別為第一圓柱體201、第一圓錐體202、第二圓柱體203、第二圓錐體204和第三圓柱體205；第二圓柱體的兩端分別與第一圓錐體直徑較大一端和第二圓錐體直徑較大一端相連，

第一圓錐體直徑較小一端與第一圓柱體相連，第二圓錐體直徑較小一端與第三圓柱體相連；

第一圓錐體直徑的最小直徑與第一圓柱體的直徑相同、第二圓錐體直徑的最小直徑與第三圓柱體的直徑相同，第二圓錐體直徑的最大直徑與第二圓柱體的直徑相同，第一圓錐體直徑的最大直徑大于第二圓柱體的直徑；所述第二圓柱體和第三圓柱體的外表面設(shè)置有螺紋；

所述直徑包括內(nèi)徑和外徑。

所述副金屬接頭3可分劃為三部分，所述三部分包括第四圓柱體301、第三圓錐體302和第五圓柱體303；第三圓錐體直徑較大一端與第四圓柱體相連，第三圓錐體直徑較小一端與第五圓柱體相連；第三圓錐體的內(nèi)經(jīng)與第二圓錐體的外徑相同，第四圓柱體的內(nèi)徑與第第二圓柱體的外徑相同，第五圓柱體的內(nèi)徑與第三圓柱體的外徑相同；所述第四圓柱體和第五圓柱體的外表面設(shè)置有螺紋；副金屬接頭3的螺紋與主金屬接頭的螺紋形匹配，形成自鎖螺紋4，副金屬接頭3相應(yīng)的套在主金屬接頭2上，并通過自鎖螺紋4連接。

所述第四圓柱體的長度較第二圓柱體的長度小1-10mm，便于主金屬接頭2和副金屬接頭3的安裝。

第一圓錐體與第二圓錐體的縱截面為梯形，兩梯形斜邊與豎直面夾角分別為θ1和θ2，根據(jù)所述連接結(jié)構(gòu)截面需要承載的載荷大小來設(shè)置θ1和θ2；如圖3所示，計(jì)算公式如下：

P＝40π·tanθ·z·E₂·[ln90-ln(90-tanθ·s)]；

其中，P，金屬接頭所受載荷，單位為；E₂為復(fù)材的環(huán)向模量，z為金屬接頭受力后的移動(dòng)距離；x為連接結(jié)構(gòu)截面的坐標(biāo)。

復(fù)合材料中空桿固化后，主金屬接頭和副金屬接頭通過自鎖螺紋反向擰緊，使復(fù)材中空桿連接區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)緊力，防止連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)并改善其疲勞性能。

主金屬接頭2外表面進(jìn)行毛化處理，用于增大與復(fù)材中空桿1內(nèi)表面之間的摩擦系數(shù)，避免兩者之間的轉(zhuǎn)動(dòng)。

主金屬接頭2和副金屬接頭3連接后，第一圓柱體的另一端連接一芯模構(gòu)成復(fù)材陽模，芯模為外徑與第一圓柱體外徑形同的圓柱體；將預(yù)浸復(fù)合材料鋪覆在所述復(fù)材陽模上，加熱固化使復(fù)材中空桿1成形，將芯模與第一圓柱體分離，得到連接的復(fù)材中空桿1與金屬接頭。芯模長度與復(fù)合材料中空桿的長度相關(guān)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況而定。

所述復(fù)合中空稈在各截面的纖維方向含量相同或不同。

所述金屬接頭的材質(zhì)為鈦金屬合金，主金屬接頭2和副金屬接頭3各自一體成型。

上述連接結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛復(fù)合材料下連桿與端部金屬接頭之間的連接結(jié)構(gòu)。

連接結(jié)構(gòu)受力分析如下：

已知：復(fù)材管外徑200mm，內(nèi)徑160mm；

設(shè)：復(fù)材管收緊段的長度為s，收緊后的直徑為d；內(nèi)部鈦合金向下運(yùn)動(dòng)距離為z，假設(shè)沒有摩擦力的存在；復(fù)材桿軸向模量為E1，環(huán)向模量為E2；鈦合金假設(shè)為剛硬。

復(fù)材桿拐角

對于坐標(biāo)為x的截面：

初始半徑為：90-tanθ·x

當(dāng)前半徑為：90-tanθ·(x-z)

半徑增量為：90-tanθ·(x-z)-90+tanθ·x＝tanθ·z

周長變量為：2π·tanθ·z

環(huán)向應(yīng)變?yōu)椋?z為小量，忽略)

環(huán)向應(yīng)力為：

對于任一截面，總載荷為：

從另一個(gè)角度分析，復(fù)材管的環(huán)向載荷來自于內(nèi)部鈦合金與復(fù)材管之間的相互作用F。F沿水平方向的分量為f2，則：

f1的合力即為鈦合金所受載荷P

P＝40π·tanθ·z·E₂·[ln90-ln(90-tanθ·s)]

算例：

設(shè)d＝120mm，s＝150mm，z＝2mm，復(fù)材E2＝80GPa，則：

tanθ＝0.2；

P＝1629.6kN。