[发明专利]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

说明书

技术领域

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造方法。

背景技术

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。

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，这可能导致连接部位的配合效果不好的问题。

发明内容

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。

本发明解决其技术问题采用了以下的技术方案：

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，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。

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。

上述方案中，金属封头与金属法兰通过螺栓固定连接。

上述方案中，金属法兰锥角的加工误差为±5°。

上述方案中，金属法兰的材料为钛合金。

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。

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：[90₂/±60₂/90₂/±30₂]₉[90]₃。

上述方案中，所述密封圈为膨体聚四氟乙烯。

本发明的优点和效果在于：

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。