[发明专利]一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件及其制备方法；该结构件中复合材料筒形件与金属法兰粘接为一体，在金属法兰与复合材料筒形件贴合的金属法兰轴表面有若干沟槽。所述方法包括金属法兰的加工和处理、复合材料筒形件的缠绕成型、复合材料筒形件与金属法兰一体化固化。与现有技术相比，本发明的复合材料筒形件与金属法兰连接结构件具有更高的强度、寿命和固有频率，并较快速衰减可能出现的振动，可应用于对重量、性能和传动效率要求较高的汽车、直升机和轮船的传动轴。

技术领域

本发明属于复合材料与金属结构连接技术领域，具体涉及一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件及其制备方法。

背景技术

传动轴作为动力传动系统的一部分，广泛应用于汽车、轮船和直升机等装备，负责把动力源(发动机、电机等)的能量传送至动力输出装置(车轮、螺旋桨、旋翼等)。传动轴工作负荷大、转速高，并且承受交变的扭转、弯曲及扭弯耦合振动载荷，其性能优劣直接影响直升机的性能和安全。为实现传动系统的高传动效率和高可靠性，传动轴的设计要求包括:1)临界转速高；2)力学性能好，具有较高的扭转强度、刚度和寿命；3)重量轻，以降低转动惯量、提高扭矩、降低功率损失。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)相比金属材料具有比强度、比刚度高、阻尼性好等优点，以CFRP替代合金钢、铝合金等金属材料制作传动轴，可大幅降低结构重量，使传动轴可承受更高的扭矩、功率和临界速度，并可提高传动轴的服役寿命和装备的综合性能、降低传动系统的振动和噪声。

然而，复合材料应用于传动轴不可避免地会出现复合材料筒形件与金属法兰的连接问题。连接部位材料和几何形状不连续，受载时产生较高的应力集中，导致连接接头成为整个结构的薄弱部位。尤其是复合材料筒形件和金属法兰具有不同的力学和热学性质，属于异质材料，而异质材料之间连接是结构设计和制造的难点。

传统的复合材料与金属的连接工艺包括机械连接、胶接以及二者共同应用的混合连接。机械连接可靠度比较高，但连接区应力集中严重，连接强度较低，并且紧固件提高了接头重量。胶接接头应力集中较低、连接强度和疲劳性能较好，但可靠性较低、耐环境性差。混合连接发挥两种连接方式的优点，但也继承了其缺点，在一定程度上削弱了使用复合材料所带来的优势。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有连接技术的不足，提供一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明涉及一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件，复合材料筒形件与金属法兰粘接为一体，在金属法兰与复合材料筒形件贴合的金属法兰轴表面有若干沟槽。且所述复合材料筒形件是在金属法兰轴外表面应用纤维缠绕技术制造、固化而得。

进一步的，所述沟槽的深度为0.1毫米以上。优选为为0.1～9毫米。本发明在法兰端部的沟槽设计，可显著提高复合材料轴管与金属法兰盘的传载强度。

进一步的，所述复合材料筒形件的若干纤维嵌入金属法兰的沟槽。

进一步的，所述沟槽为螺旋形沟槽。

进一步的，所述复合材料筒形件在与金属法兰的连接区为变角度、变厚度结构。

进一步的，所述复合材料筒形件与金属法兰贴合面有兼具强度和阻尼性能的胶粘剂。

进一步的，所述复合材料筒形件与金属法兰之间的胶粘剂嵌入金属法兰的沟槽。

本发明还涉及一种上述复合材料筒形件与金属法兰连接结构件的制备方法，所述方法包括以下步骤：

S1、金属法兰的加工和处理：在金属法兰与复合材料筒形件的贴合面加工若干沿周向分布的沟槽，并在有沟槽的金属法兰圆柱面上涂敷胶粘剂或铺放胶膜；

S2、在金属法兰外表面应用纤维缠绕技术制造复合材料筒形件，并使贴近金属法兰的若干纤维嵌入金属法兰表面的沟槽中；