一种抗外压复合材料筒体与金属封头共固化的连接结构及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种抗外压复合材料筒体与金属封头共固化的连接结构及其制造方 法。
【背景技术】
[0002] 复合材料具有比刚度大、比强度大、可设计性等特点，广泛地应用于航空、航天及 深海工程。但由于缠绕技术的限制，大多数复合材料抗外压壳体并不是全复合材料制品，而 是采用易于加工成型的金属封头与缠绕成型的复合材料筒身进行连接配合，由此就带来了 关于复合材料筒体与金属封头之间连接的技术难题。此外，对于抗外压壳体，着重考虑的是 其构件的抗渗漏性及抗失稳能力，而复合材料筒体与金属封头的连接处又恰好是整体构件 最薄弱的位置，故关于复合材料筒体与封头之间的连接结构是重点考虑的问题。
[0003] 传统的连接方式采用阶梯型胶接或螺钉与胶结共混连接，其中阶梯型胶结连接受 力形式简单，在外压荷载下，总有平行于粘接面的剪切力，并且胶接强度有限，常出现连接 部位脱胶的现象;若筒身段采用螺钉与胶结共混的连接方式，则需要在复合材料筒身进行 开孔，众所周知，复合材料构件表面开孔会使纤维铺层切断，继而产生应力集中现象，本来 连接部位就是整个构件最为薄弱的区域，此连接方式易加剧连接部位的破坏;此外，由于复 合材料筒身的柔性较大及其后加工技术的限制，若采用成型后的复合材料筒身内表面直接 与金属封头外表面配合，运可能导致连接部位的配合效果不好的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能够保证连接强度及密封性的抗外压复 合材料筒体与金属封头共固化的连接结构及其制造方法。
[0005] 本发明解决其技术问题采用了 W下的技术方案：
[0006] -种抗外压复合材料筒体与金属封头共固化的连接结构，其包括两个金属法兰， 每个金属法兰具有底座和第一连接段，两个底座分别与两个金属封头固定连接，每个金属 法兰的第一连接段的自由端具有27°的锥角，所述复合材料筒体的两端分别设置有与两个 金属法兰的锥角相配合的第二连接段，每个金属法兰的内径与所述复合材料筒体的内径相 当。
[0007] 上述方案中，所述金属封头套设于所述金属法兰的外壁，每个金属封头具有直筒 段和端面段，所述直筒段和端面段的内壁表面开设有多个凹槽，所述多个凹槽内均放置有 密封圈。
[000引上述方案中，金属封头与金属法兰通过螺栓固定连接。
[0009] 上述方案中，金属法兰锥角的加工误差为±5°。
[0010] 上述方案中，金属法兰的材料为铁合金。
[0011] 所述的抗外压复合材料筒体与金属封头共固化的连接结构的制造方法，包括W下 步骤：
[0012] I)在金属法兰的第一连接段加工27°的锥角，加工误差为±5%
[0013] 2)将两个金属法兰安装于圆筒忍模的两端，所述忍模的外径与金属法兰的内径相 等；
[0014] 3)在金属法兰的锥角外表面与忍模的外表面采用碳纤维湿法缠绕成型工艺进行 纤维缠绕；
[0015] 4)缠绕完毕后，进行边旋转边加热固化方式，固化结束后将圆筒忍模抽出，并对得 到的碳纤维复合材料筒体的筒身进行表面后加工处理；
[0016] 5)在每个金属封头的直筒段和端面段的内壁表面上加工多个凹槽，在凹槽中放置 密封圈，再将两个金属封头与步骤4)成型所得的结构进行螺栓连接，螺栓上涂有密封胶。
[0017] 上述方案中，所述步骤3)中的碳纤维湿法缠绕成型工艺中所使用的树脂体系采用 双酪A环氧树脂固化体系，纤维为碳纤维，纤维铺层角度设计为：[902\±602\902\±302]9
[90]3。
[0018] 上述方案中，所述密封圈为膨体聚四氣乙締。
[0019] 本发明的优点和效果在于：
[0020] 1)本发明克服现有抗外压复合材料与金属封头装配连接效果不佳的技术问题，采 用具有27°锥角的金属法兰与复合材料筒身缠绕共固化成型、脱模后再与金属封头机械连 接。因此，本发明设计的连接结构能够保证复合材料筒身与金属封头筒身的连接强度及密 封性。
[0021] 2)本发明采用缠绕共固化的成型的方法连接具有锥角的金属法兰与抗外压复合 材料筒身，避免了连接部位纤维切断的情况，且倾斜角是根据受力分析确定，可W使连接部 位受力更加合理，即根据受力分析，连接部位受到来自轴向与径向1:2的力，其合力方向与 轴向成63%故可W加工斜面使其与所受合力方向垂直，来减小连接部位所受剪切力的作 用，优化了连接部位的受力形式，即法兰锥角设计为27°。由于金属封头与金属法兰机械连 接，此连接可重复利用金属封头。
【附图说明】
[0022] 图1是抗外压复合材料筒体与金属封头共固化的连接结构的示意图；
[0023] 图2是图1的连接部位局部结构示意图；
[0024] 图3是金属法兰的结构示意图；
[0025] 图4是具有凹槽及螺孔的金属封头。
[00%] 1-抗外压复合材料筒体，2-金属法兰，3-密封圈，4-金属封头，5-螺栓。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和实施例阐明本发明的内容。
[0028] 如图1至图4所示，其为本发明提供的一种抗外压复合材料筒体与金属封头共固化 的连接结构，其包括两个金属法兰2，每个金属法兰2具有底座和第一连接段，两个底座分别 与两个金属封头4固定连接，每个金属法兰2的第一连接段的自由端具有27°的锥角，复合材 料筒体1的两端分别设置有与两个金属法兰2的锥角相配合的第二连接段，每个金属法兰2 的内径与复合材料筒体I的内径相当。
[0029] 金属封头4套设于金属法兰2的外壁，每个金属封头2具有直筒段和端面段，直筒段 和端面段的内壁表面开设有多个凹槽，多个凹槽内均放置有密封圈3。
[0030] 在本实施例中，金属封头4与金属法兰2通过螺栓5固定连接。金属法兰2锥角的加 工误差为±5°。在本实施例中，金属法兰2的材料为铁合金。
[0031] 本发明还提供该连接结构的制造方法，W某抗20M化外压碳纤维复合材料筒体为 例，碳纤维复合材料筒体身长700mm(不包括第二连接段），厚12mm，其包括W下步骤：
[0032] 1)在金属法兰2的第一连接段加工27°的锥角，加工误差为±5°，金属法兰2厚 12mm，内径'025.〇.ram；
[0033] 2)将两个金属法兰2安装于圆筒忍模（图未示)的两端，忍模的外径与金属法兰2的 内径相等，中间预留制品的有效长度为700mm;
[0034] 3)在金属法兰的锥角外表面与忍模的外表面采用碳纤维湿法缠绕成型工艺进行 纤维缠绕;树脂体系采用双酪A环氧树脂高溫固化体系，纤维采用东丽T700SC-12K碳纤维， 纤维铺层角度设计为：[902\±602\902\±302]9[90]3,总厚12mm，因为要考虑金属法兰2的锥 角长度及制品缠绕成型的两端发生非线性角度变化，故缠绕总长750mm;
[0035] 4)缠绕完毕后，进行边旋转边加热固化方式，固化结束后将圆筒忍模抽出，并对得 到的碳纤维复合材料筒体1的筒身进行表面后加工处理(即打磨及刷制一层聚氨醋）；
[0036] 5)在每个金属封头4的直筒段和端面段的内壁表面上加工=个凹槽，尺寸分别为 2.3*3.9mm和7.1*4.3mm，，尺寸误差均为+0.05mm，在凹槽中放置密封圈3，密封圈为膨体聚 四氣乙締，厚度误差为+0.05mm，再将两个金属封头4与步骤4)成型所得的结构进行螺栓5连 接，螺栓5上涂有密封胶。
【主权项】
1. 一种抗外压复合材料筒体与金属封头共固化的连接结构，其特征在于，其包括两个 金属法兰，每个金属法兰具有底座和第一连接段，两个底座分别与两个金属封头固定连接， 每个金属法兰的第一连接段的自由端具有27°的锥角，所述复合材料筒体的两端分别设置 有与两个金属法兰的锥角相配合的第二连接段，每个金属法兰的内径与所述复合材料筒体 的内径相当。2. 如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述金属封头套设于所述金属法兰的外 壁，每个金属封头具有直筒段和端面段，所述直筒段和端面段的内壁表面开设有多个凹槽， 所述多个凹槽内均放置有密封圈。3. 如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，金属封头与金属法兰通过螺栓固定连 接。4. 如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，金属法兰锥角的加工误差为±5°。5. 如权利要求1所述的连接结构，其特征在于，金属法兰的材料为钛合金。6. 如权利要求1所述的抗外压复合材料筒体与金属封头共固化的连接结构的制造方 法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 在金属法兰的第一连接段加工27°的锥角，加工误差为± 5° ; 2) 将两个金属法兰安装于圆筒芯模的两端，所述芯模的外径与金属法兰的内径相等； 3) 在金属法兰的锥角外表面与芯模的外表面采用碳纤维湿法缠绕成型工艺进行纤维 缠绕； 4) 缠绕完毕后，进行边旋转边加热固化方式，固化结束后将圆筒芯模抽出，并对得到的 碳纤维复合材料筒体的筒身进行表面后加工处理； 5) 在每个金属封头的直筒段和端面段的内壁表面上加工多个凹槽，在凹槽中放置密封 圈，再将两个金属封头与步骤4)成型所得的结构进行螺栓连接，螺栓上涂有密封胶。7. 如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤3)中的碳纤维湿法缠绕成型工 艺中所使用的树脂体系采用双酚A环氧树脂固化体系，纤维为碳纤维，纤维铺层角度设计 为：[90 2\±6〇2\9〇2\±3〇2]9[90]3。8. 如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述密封圈为膨体聚四氟乙烯。
【专利摘要】本发明涉及一种抗外压复合材料筒体与金属封头共固化的连接结构及其制备方法。该连接结构包括两个金属法兰，每个金属法兰具有底座和第一连接段，两个底座分别与两个金属封头固定连接，每个金属法兰的第一连接段的自由端具有27°的锥角，所述复合材料筒体的两端分别设置有与两个金属法兰的锥角相配合的第二连接段，每个金属法兰的内径与所述复合材料筒体的内径相当。本发明克服现有抗外压复合材料与金属封头装配连接效果不佳的技术问题，采用具有27°锥角的金属法兰与复合材料筒身缠绕共固化成型、脱模后再与金属封头机械连接。因此，本发明设计的连接结构能够保证复合材料筒身与金属封头筒身的连接强度及密封性。
【IPC分类】B29C65/64, B29C70/84
【公开号】CN105643961
【申请号】
【发明人】蔡浩鹏, 陈恩, 王钧
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年1月8日