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CN106378940B - 一种复合材料连接结构及其制作方法 - Google Patents

一种复合材料连接结构及其制作方法 Download PDF

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CN106378940B CN201610850657.6A CN201610850657A CN106378940B CN 106378940 B CN106378940 B CN 106378940B CN 201610850657 A CN201610850657 A CN 201610850657A CN 106378940 B CN106378940 B CN 106378940B
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Abstract

本发明提供了一种复合材料连接结构，包括第一主件和第二主件，所述第一主件由管件和设置于管件外侧的第一连接部一体成型而成，所述第二主件由板件和设置于板件外侧的第二连接部一体成型而成，所述第一连接部和第二连接部通过铰接件连接，所述第一主件、第二主件和铰接件均为复合材料材质。本发明还提供了一种制作该复合材料连接结构的方法，包括以下步骤：一、制作第一主件；二、制作第二主件；三，铰接，得到复合材料连接结构。本发明复合材料连接结构与传统连接结构相比，具有管件、板件分别一体成型，轻质，高强度，高模量等技术优势，具有广泛的应用前景。

Description

一种复合材料连接结构及其制作方法
技术领域
本发明属于复合材料连接技术领域，具体涉及一种复合材料连接结构及其制作方法。
背景技术
复合材料制品具有各向异性，其制品的纤维方向的抗拉伸、抗压缩性能明显高于层间剪切性能。因此，如何设计复合材料活动关节的连接方式，实现复合材料制品的高强度可活动连接成为采用中的核心环节之一。在同等强度的前提下轻量化的设计意味着：给飞行器带来更大的载重能力，更长的续航时间；为机器人减小能源的消耗；为人体假肢带来更好的舒适性；等等。
目前广泛采用的复合材料可活动连接方式有金属铰链、碳板机械加工铰链以及短纤维增强复合材料铰链。
金属铰链结构的优势是成型工艺成熟度高，但无论是钛合金还是铝镁合金其材料的产品密度都要远高于碳纤维等复合材料。
碳纤维板材加工的铰链结构，在机械加工过程中对原有碳纤维连续性破坏较大，不能很好的发挥纤维的强度。
短纤维增强复合材料铰链的优势是能够得到形状较为复杂的铰链结构制品，但其纤维的非连续性决定其无法得到高强度的铰链制品。
因此，亟需研发一种新型的、适用于飞行器、机器人及假肢等满足较高轻量化要求的、使复合材料间实现活动连接的技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种复合材料连接结构。该复合材料连接结构与传统连接结构相比，具有管件、板件分别一体成型、轻质、高强度、高模量等技术优势，具有广泛的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种复合材料连接结构，其特征在于，包括第一主件和第二主件，所述第一主件由管件和设置于管件外侧的第一连接部一体成型而成，所述第二主件由板件和设置于板件外侧的第二连接部一体成型而成，所述第一连接部和第二连接部通过铰接件连接，所述第一主件、第二主件和铰接件均为复合材料材质。
上述的一种复合材料连接结构，其特征在于，所述铰接件包括销轴和盖设在销轴端部的挡帽，所述第一连接部上开设有用于穿插销轴的第一销孔，所述第二连接部上开设有用于穿插销轴的第二销孔。
另外，本发明还提供了一种制作上述复合材料连接结构的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据设计要求制作第一主件成型模具，所述第一主件成型模具包括第一下模、第一上模、第一芯模A和第一芯模B，所述第一下模、第一上模、第一芯模A和第一芯模B装配后内部形成一个结构和尺寸均与第一主件适配的第一成型腔室，然后利用第一主件成型模具制作第一主件，具体制作方法为：
步骤101、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将多个基础单元叠加铺设，得到第一复合片材，之后将第一芯模A置于第一复合片材顶部的中心位置处，接着利用第一复合片材对第一芯模A进行包覆，得到形状为圆柱形的第一包覆体；
步骤102、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将多个基础单元叠加铺设，得到第二复合片材，然后将第一芯模B置于第二复合片材的一端作为起始卷绕端，之后将步骤101中所述第一包覆体置于第二复合片材的终止卷绕端的外侧，接着利用第二复合片材对第一芯模B进行卷绕，卷绕方向与第一包覆体轴线方向垂直，得到第二包覆体；
步骤103、将步骤102中所述第二包覆体置于第一下模中，扣合上第一上模后，置于热压机中加热固化，脱模后得到第一主件；
步骤二、根据设计要求制作第二主件成型模具，所述第二主件成型模具包括第二下模、第二上模和第二芯模，所述第二下模、第二上模和第二芯模装配后内部形成一个结构和尺寸均与第二主件适配的第二成型腔室，然后利用第二主件成型模具制作第二主件，具体制作方法为：
步骤201、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将该基础单元以90度纤维方向为主方向铺设在第二下模中；
步骤202、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将多个基础单元以0度纤维方向为主方向铺设在第二下模中，得到第三复合片材；所述第三复合片材中各基础单元的长度均为第二成型腔室长度的2倍以上；
步骤203、将第二芯模置于步骤202中所述第三复合片材顶部的中心位置处，然后将第三复合片材折回以包裹第二芯模，得到第三包裹体；
步骤204、将第二上模扣合在第二下模上，然后置于热压机中加压固化，脱模后进行机械加工，得到第二主件；
步骤三、利用铰接件将第一主件和第二主件铰接，得到复合材料连接结构。
上述的方法，其特征在于，步骤101中所述三层碳纤维单向预浸料按0度、90度和0度纤维方向逐层铺设。
上述的方法，其特征在于，步骤102中所述三层碳纤维单向预浸料按90度、0度和90度纤维方向逐层铺设。
上述的方法，其特征在于，步骤201中所述三层碳纤维单向预浸料按90度、0度和90度纤维方向逐层铺设。
上述的方法，其特征在于，步骤202中所述三层碳纤维单向预浸料按0度、90度和0度纤维方向逐层铺设。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
由于传统的复合材料连接常用方式是机械连接和胶粘连接，无人机、机器人、假肢的可活动连接多采用金属辅助连接，部分采用短纤维增强注塑辅助连接结构。本发明与上述传统结构相比主要技术优势有：
1、管件、板件分别一体成型：本发明可根据产品结构需求对的管件部分和板件部分分别一体成型，有效避免了金属辅助连接和短纤维增强塑料辅助连接所必需的二次连接结构，有效减少连接环节，增加整体结构性能。
2、轻质：本发明复合材料连接结构对比同等强度的高强铝合金连接结构可有效减重50％以上。
3、高强度：本发明复合材料连接结构对比同等重量的铝合金可有效提高连接强度50％以上，对比同等重量的短纤维增强塑料结构可有效提高连接强度30％以上。
4、高模量：本发明复合材料连接结构对比同等质量的短纤维增强结构可有效提高连接模量60％以上。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明复合材料连接结构的整体结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为本发明第一主件的结构示意图。
图4为本发明第二主件的结构示意图。
图5为本发明铰接件的结构示意图。
图6为本发明第一主件成型模具的结构示意图。
图7为本发明第二主件成型模具的结构示意图。
附图标记说明:
1—第一主件； 1-1—管件； 1-2—第一连接部；
1-3—第一销孔； 2—第二主件； 2-1—板件；
2-2—第二连接部； 2-3—第二销孔； 3—铰接件；
3-1—销孔； 3-2—挡帽； 5-1—第一下模；
5-2—第一上模； 5-3—第一芯模A； 5-4—第一芯模B；
5-5—第一成型腔室； 6-1—第二下模； 6-2—第二上模；
6-3—第二芯模； 6-4—第二成型腔室。
具体实施方式
如图1至图4所示的一种复合材料连接结构，包括第一主件1和第二主件2，所述第一主件1由管件1-1和设置于管件1-1外侧的第一连接部1-2一体成型而成，所述第二主件2由板件2-1和设置于板件2-1外侧的第二连接部2-2一体成型而成，所述第一连接部1-1和第二连接部1-2通过铰接件3连接，所述第一主件1、第二主件2和铰接件3均为复合材料材质。
如图5所示，本实施例中，所述铰接件3包括销轴3-1和盖设在销轴3-1端部的挡帽3-2。
如图6所示，本实施例中，所述第一连接部1-2上开设用于穿插销轴3-1的第一销孔1-3。
如图7所示，本实施例中，所述第二连接部2-2上开设用于穿插销轴3-1的第二销孔2-3。
本发明中，所述复合材料连接结构包括三大部分：第一主件1、第二主件2和铰接件3。其中，第一主件1的主体结构为管状，第二主件2的主体结构为板状。本发明先将复合材料材质的管件部分和板件部分分别一体成型，然后采用复合材料材质的铰接件3进行连接，最终形成的复合材料连接结构具有轻质、高强度、高模量的显著特征，能够有效避免金属辅助连接和短纤维增强塑料辅助连接所必需的二次连接结构，有效减少连接环节，增加整体结构性能。
具体实施过程中，可先确定需要连接的原管件和原板件的尺寸，然后设计出第一主件1和第二主件2的结构和尺寸，使管件1-1与原管件的尺寸相同或相近，使板件2-1与原板件的尺寸相同或相近，之后制作本发明的复合材料连接结构，最后将第一主件1中的管件1-1与原管件连接，将第二主件2中的板件2-1与原板件连接，由于管件与管件之间的连接，以及板件与板件之间的连接均可采用如销接、胶接、卡接等现有、常用方法实现连接，因此本发明能够顺利、高效地完成管型设备与板型设备的连接工作。
结合图1至图4，本发明制作该复合材料连接结构的方法包括以下步骤：
步骤一、制作第一主件1：
首先，设计第一主件1的结构和尺寸，接着根据第一主件1的设计要求制作第一主件成型模具，所述第一主件成型模具包括第一下模5-1、第一上模5-2、第一芯模A 5-3和第一芯模B 5-4，第一芯模A 5-3和第一芯模B 5-4均为圆柱形棒状结构或圆筒状结构，所述第一下模5-1、第一上模5-2、第一芯模A 5-3和第一芯模B 5-4装配后内部形成一个结构和尺寸均与第一主件1适配的第一成型腔室5-5；
然后，利用第一主件成型模具制作第一主件1，具体制作方法为：
步骤101、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个由三层碳纤维单向预浸料复合而成的基础单元，然后将多个基础单元叠加铺设，得到第一复合片材，之后将第一芯模A 5-3置于第一复合片材顶部的中心位置处，接着利用第一复合片材对第一芯模A 5-3进行包覆，得到形状为圆柱形的第一包覆体；
本实施例中，所述三层碳纤维单向预浸料按0度、90度和0度纤维方向逐层铺设；
步骤102、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个由三层碳纤维单向预浸料复合而成的基础单元，然后将多个基础单元叠加铺设，得到第二复合片材，然后将第一芯模B 5-4置于第二复合片材的一端作为起始卷绕端，之后将步骤101中所述第一包覆体置于第二复合片材的终止卷绕端，并且位于第二复合片材的外侧，使第一包覆体的轴线方向与第一芯模B 5-4的轴线方向垂直，接着利用第二复合片材对第一芯模B 5-4进行卷绕，卷绕方向与第一包覆体轴线方向垂直，得到第二包覆体；所述第二包覆体的结构是由第一芯模B 5-4的包覆体和第一芯模A 5-3的包覆体组合而成的T型结构；
本实施例中，所述三层碳纤维单向预浸料按90度、0度和90度纤维方向逐层铺设；
步骤103、将步骤102中所述第二包覆体置于第一下模5-1中，扣合上第一上模5-2后，置于热压机中加热固化，脱模后得到第一主件1；
步骤二、制作第二主件2：
首先，根据设计要求制作第二主件成型模具，所述第二主件成型模具包括第二下模6-1、第二上模6-2和第二芯模6-3，第二芯模6-3为圆柱形棒状结构或圆筒状结构，所述第二下模6-1、第二上模6-2和第二芯模6-3装配后内部形成一个结构和尺寸均与第二主件2适配的第二成型腔室6-4；
然后，利用第二主件成型模具制作第二主件2，具体制作方法为：
步骤201、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个由三层碳纤维单向预浸料复合而成的基础单元，然后将该基础单元以90度纤维方向为主方向铺设在第二下模6-1中；
具体实施时，所述基础单元的长度为第二成型腔室6-4长度的2倍以上，以便于后续的折回操作；
本实施例中，所述三层碳纤维单向预浸料按90度、0度和90度纤维方向逐层铺设；
步骤202、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个由三层碳纤维单向预浸料复合而成的基础单元，然后将多个基础单元以0度纤维方向为主方向铺设在第二下模6-1中，得到第三复合片材；
具体实施时，多个所述基础单元的长度均为第二成型腔室6-4长度的2倍以上，以便于使第三复合片材进行后续的折回操作；
本实施例中，所述三层碳纤维单向预浸料按0度、90度和0度纤维方向逐层铺设；
步骤203、将第二芯模6-3置于步骤202中所述第三复合片材顶部的中心位置处，然后将第三复合片材折回以包裹第二芯模6-3，得到第三包裹体；
步骤204、将第二上模6-2扣合在第二下模6-1上，然后置于热压机中加压固化，脱模后进行机械加工，切割去掉两个所述第二连接部2-2的中间部分，得到第二主件2；
步骤三、利用铰接件3将第一主件1和第二主件2铰接，得到复合材料连接结构。
采用本发明制作复合材料连接结构进行连接时，将第一主件1中的管件1-1与原管件连接，将第二主件2中的板件2-1与原板件连接，由于管件与管件之间的连接，以及板件与板件之间的连接均可采用如销接、胶接、卡接等现有、常用方法实现连接，因此本发明能够顺利、高效地完成管型设备与板型设备的连接工作。
本发明还能实现简易变换，不仅限于复合材料管件与复合材料板件之间的连接，对于复合材料管材、棒材、筒形件、弧形件与复合材料板材、块材、多边形材料之间的连接，也具有一定的技术启发。
由于传统的复合材料连接常用方式是机械连接和胶粘连接，无人机、机器人、假肢的可活动连接多采用金属辅助连接，部分采用短纤维增强注塑辅助连接结构。本发明与上述传统的连接结构相比，主要技术优势为：管件、板件分别一体成型：本发明可根据产品结构需求对的管件部分和板件部分分别一体成型，有效避免了金属辅助连接和短纤维增强塑料辅助连接所必需的二次连接结构，有效减少连接环节，增加整体结构性能。轻质：本发明结构对比同等强度的高强铝合金连接结构可有效减重50％以上。高强度：本发明对比同等重量的铝合金可有效提高连接强度50％以上，对比同等重量的短纤维增强塑料结构可有效提高连接强度30％以上。高模量：本发明对比同等质量的短纤维增强结构可有效提高连接模量60％以上。总之，本发明复合材料连接结构与传统连接结构相比，具有管件、板件分别一体成型，轻质，高强度，高模量等技术优势，具有广泛的应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制；凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种复合材料连接结构，包括第一主件(1)和第二主件(2)，所述第一主件(1)由管件(1-1)和设置于管件(1-1)外侧的第一连接部(1-2)一体成型而成，所述第二主件(2)由板件(2-1)和设置于板件(2-1)外侧的第二连接部(2-2)一体成型而成，所述第一连接部(1-1)和第二连接部(1-2)通过铰接件(3)连接，所述第一主件(1)、第二主件(2)和铰接件(3)均为复合材料材质，其特征在于，该连接结构的制作方法包括以下步骤：
步骤一、根据设计要求制作第一主件成型模具，所述第一主件成型模具包括第一下模(5-1)、第一上模(5-2)、第一芯模A(5-3)和第一芯模B(5-4)，所述第一下模(5-1)、第一上模(5-2)、第一芯模A(5-3)和第一芯模B(5-4)装配后内部形成一个结构和尺寸均与第一主件(1)适配的第一成型腔室(5-5)，然后利用第一主件成型模具制作第一主件(1)，具体制作方法为：
步骤101、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将多个基础单元叠加铺设，得到第一复合片材，之后将第一芯模A(5-3)置于第一复合片材顶部的中心位置处，接着利用第一复合片材对第一芯模A(5-3)进行包覆，得到形状为圆柱形的第一包覆体；
步骤102、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将多个基础单元叠加铺设，得到第二复合片材，然后将第一芯模B(5-4)置于第二复合片材的一端作为起始卷绕端，之后将步骤101中所述第一包覆体置于第二复合片材的终止卷绕端的外侧，接着利用第二复合片材对第一芯模B(5-4)进行卷绕，卷绕方向与第一包覆体的轴线方向垂直，得到第二包覆体；
步骤103、将步骤102中所述第二包覆体置于第一下模(5-1)中，扣合上第一上模(5-2)后，置于热压机中加热固化，脱模后得到第一主件(1)；
步骤二、根据设计要求制作第二主件成型模具，所述第二主件成型模具包括第二下模(6-1)、第二上模(6-2)和第二芯模(6-3)，所述第二下模(6-1)、第二上模(6-2)和第二芯模(6-3)装配后内部形成一个结构和尺寸均与第二主件(2)适配的第二成型腔室(6-4)，然后利用第二主件成型模具制作第二主件(2)，具体制作方法为：
步骤201、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将该基础单元以90度纤维方向为主方向铺设在第二下模(6-1)中；
步骤202、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将多个基础单元以0度纤维方向为主方向铺设在第二下模(6-1)中，得到第三复合片材；所述第三复合片材的长度为第二成型腔室(6-4)长度的2倍以上；
步骤203、将第二芯模(6-3)置于步骤202中所述第三复合片材顶部的中心位置处，然后将第三复合片材折回以包裹第二芯模(6-3)，得到第三包裹体；
步骤204、将第二上模(6-2)扣合在第二下模(6-1)上，然后置于热压机中加压固化，脱模后进行机械加工，得到第二主件(2)；
步骤三、利用铰接件(3)将第一主件(1)和第二主件(2)铰接，得到复合材料连接结构。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料连接结构，其特征在于，所述铰接件(3)包括销轴(3-1)和盖设在销轴(3-1)端部的挡帽(3-2)，所述第一连接部(1-2)上开设有用于穿插销轴(3-1)的第一销孔(1-3)，所述第二连接部(2-2)上开设有用于穿插销轴(3-1)的第二销孔(2-3)。
3.一种制作如权利要求1或2所述复合材料连接结构的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据设计要求制作第一主件成型模具，所述第一主件成型模具包括第一下模(5-1)、第一上模(5-2)、第一芯模A(5-3)和第一芯模B(5-4)，所述第一下模(5-1)、第一上模(5-2)、第一芯模A(5-3)和第一芯模B(5-4)装配后内部形成一个结构和尺寸均与第一主件(1)适配的第一成型腔室(5-5)，然后利用第一主件成型模具制作第一主件(1)，具体制作方法为：
步骤101、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将多个基础单元叠加铺设，得到第一复合片材，之后将第一芯模A(5-3)置于第一复合片材顶部的中心位置处，接着利用第一复合片材对第一芯模A(5-3)进行包覆，得到形状为圆柱形的第一包覆体；
步骤102、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将多个基础单元叠加铺设，得到第二复合片材，然后将第一芯模B(5-4)置于第二复合片材的一端作为起始卷绕端，之后将步骤101中所述第一包覆体置于第二复合片材的终止卷绕端的外侧，接着利用第二复合片材对第一芯模B(5-4)进行卷绕，卷绕方向与第一包覆体的轴线方向垂直，得到第二包覆体；
步骤103、将步骤102中所述第二包覆体置于第一下模(5-1)中，扣合上第一上模(5-2)后，置于热压机中加热固化，脱模后得到第一主件(1)；
步骤二、根据设计要求制作第二主件成型模具，所述第二主件成型模具包括第二下模(6-1)、第二上模(6-2)和第二芯模(6-3)，所述第二下模(6-1)、第二上模(6-2)和第二芯模(6-3)装配后内部形成一个结构和尺寸均与第二主件(2)适配的第二成型腔室(6-4)，然后利用第二主件成型模具制作第二主件(2)，具体制作方法为：
步骤201、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将该基础单元以90度纤维方向为主方向铺设在第二下模(6-1)中；
步骤202、采用三层碳纤维单向预浸料逐层铺设，复合成一个基础单元，然后将多个基础单元以0度纤维方向为主方向铺设在第二下模(6-1)中，得到第三复合片材；所述第三复合片材的长度为第二成型腔室(6-4)长度的2倍以上；
步骤203、将第二芯模(6-3)置于步骤202中所述第三复合片材顶部的中心位置处，然后将第三复合片材折回以包裹第二芯模(6-3)，得到第三包裹体；
步骤204、将第二上模(6-2)扣合在第二下模(6-1)上，然后置于热压机中加压固化，脱模后进行机械加工，得到第二主件(2)；
步骤三、利用铰接件(3)将第一主件(1)和第二主件(2)铰接，得到复合材料连接结构。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤101中所述三层碳纤维单向预浸料按0度、90度和0度纤维方向逐层铺设。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤102中所述三层碳纤维单向预浸料按90度、0度和90度纤维方向逐层铺设。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤201中所述三层碳纤维单向预浸料按90度、0度和90度纤维方向逐层铺设。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤202中所述三层碳纤维单向预浸料按0度、90度和0度纤维方向逐层铺设。
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