CN114872349B - 一种复合材料板与金属连接件的连接结构及连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合材料板与金属连接件的连接结构及连接方法，连接结构包括复合材料板与金属连接件，复合材料板与金属连接件连接；金属连接件的连接面上沿复合材料板的边长设有第一燕尾槽和第二燕尾槽；复合材料板包括芯材、第一复合材料蒙皮、第二复合材料蒙皮、第一复合材料嵌件、第二复合材料嵌件；复合材料蒙皮的边缘沿燕尾槽内侧壁面伸入并铺至燕尾槽内底面，燕尾槽与复合材料蒙皮之间的区域填充复合材料嵌件；芯材的边缘嵌入燕尾槽之间的区域。本发明复合材料板与金属连接件通过嵌入式连接结构辅以真空辅助成型形成整体，克服了复合材料与金属材料螺栓连接或二次粘接所造成的局部应力集中、连接强度低等问题，且可保证连接结构密封效果。

Description

一种复合材料板与金属连接件的连接结构及连接方法

技术领域

本发明属于船舶复合材料应用和船舶技术领域，具体涉及一种复合材料板与金属连接件的连接结构及连接方法。

背景技术

复合材料由于具有高比强度、比刚度、可设计性强以及良好的抗疲劳和耐腐蚀性能等优点，自问世以来被广泛应用于航空航天、船舶工业、建筑、体育用品等工程领域。同时现代科技的迅猛发展，单一功能的金属材料已满足不了现代船舶轻量化-多功能的发展需求，尤其对于军事领域，为提高船舶的作战能力，船的自重被要求尽可能降低，以提高船舶的机动能力，同时应具备一定隐身效果，可设计性强的复合材料因具备减重、降噪等功能，在船舶上层建筑的应用更加重视。

典型的船舶实例有法国拉斐特护卫舰，在钢质主船体上设计夹芯复合材料机库，在提高舰船隐身性的同时，减小结构重量，提升航速；美国的朱姆沃尔特级驱逐舰设计夹芯复合材料集成上层建筑结构，来增强舰船的隐身性，减轻上层建筑的结构重量，同时降低重心、提高平台稳定性。同时由于玻璃纤维增强聚合物基复合材料无磁性，且介电性和微波穿透性都很好，这些特征使得复合材料广泛应用于扫雷艇/猎雷艇。因此，夹芯复合材料所特有的轻质、高强、无磁、透波/吸波等特性，能够满足未来舰船在隐身、减重等方面的发展需求；复合材料耐化学腐蚀、抗疲劳等特性也较传统金属材料更适用于舰船的运行环境。此外，船舶减重意味着有效载荷增加、油耗降低、排放减少，尤其上层建筑减重还可以降低重心，提高稳性。这也符合绿色船舶的发展趋势，呼应了节能减排的社会主题。

目前我国大型水面船舶上层建筑主要材料仍为耐腐蚀钢材或铝合金材质，合理可靠的连接结构是复合材料上层建筑应用的一大难题。复合材料与金属连接通常采用螺栓连接、胶接、混合连接等方式。但是，机械连接可传递较大载荷，但需要在结构中开孔，造成复合材料纤维破坏并在孔的周边产生应力集中现象。胶接连接不需要开孔，不需要较重的金属紧固件，不会造成应力集中，并且接头较轻，价格较低，但是其承载能力和连接强度却相对较低。混合连接即机械连接和胶接共同使用，可一定程度缓解某种连接方式的缺点，但也会带来另一种连接方式的隐患。结合船舶在复杂的海洋环境中运行，会经常受到波浪载荷、重物集中载荷、武器发射时的作用力(舰船)、核爆炸冲击载荷(舰船)、风载等情况，同时由于上层建筑位置的特殊性，使得所受到的载荷增加，船体的上层建筑存在强度、刚度、稳定性、疲劳等问题，尤其是在上层建筑底部与主船体的连接区域，成为船舶整体结构的薄弱环节。

因此，需要提供一种强度高、安全性好，同时具有一定的密封效果的复合材料上层建筑与钢质主船体连接结构，以满足工程应用要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种复合材料板与金属连接件的连接结构及连接方法，复合材料板与金属连接件通过嵌入式连接结构再辅以真空辅助成型工艺使两者形成整体，克服了复合材料与金属材料螺栓连接或二次粘接所造成的局部应力集中、连接强度低等诸多问题，同时保证了连接结构中的密封效果，使其密封功能与复合材料部件同寿命，避免了机械连接的密封件失效更换问题，也避免了粘接连接受载脱粘密封失效问题。

为了解决上述问题，本发明的一个方面提供一种复合材料板与金属连接件的连接结构：

包括复合材料板与金属连接件，所述复合材料板的边缘与所述金属连接件连接；

所述金属连接件的连接面上的两侧分别设有第一燕尾槽和第二燕尾槽，所述第一燕尾槽、所述第二燕尾槽沿所述复合材料板的边长方向设置；

所述复合材料板包括芯材、第一复合材料蒙皮、第二复合材料蒙皮、第一复合材料嵌件、第二复合材料嵌件；所述第一复合材料蒙皮和所述第二复合材料蒙皮分别设于所述芯材的两侧的表面；所述第一复合材料蒙皮的边缘沿所述第一燕尾槽的一侧内侧壁面伸入并铺至所述第一燕尾槽的内底面，所述第一燕尾槽与所述第一复合材料蒙皮之间的区域填充所述第一复合材料嵌件；所述第二复合材料蒙皮的边缘沿所述第二燕尾槽的一侧内侧壁面伸入并铺至所述第二燕尾槽的内底面，所述第二燕尾槽与所述第二复合材料蒙皮之间的区域填充所述第二复合材料嵌件；所述芯材的边缘嵌入所述第一燕尾槽与所述第二燕尾槽之间的区域。

本发明的复合材料板与金属连接件的连接结构，其中，复合材料板与金属连接件之间通过蒙皮嵌入金属连接件连接面上设置的燕尾槽的方式进行连接，且复合材料板在成型之前与金属连接件进行结合，二者一体成型，使得复合材料板与金属连接件满足连接强度要求，并保证了密封效果，与机械连接相比可以消除复合材料板与金属连接件在连接部位承载的应力集中，与粘接连接相比，一体成型的嵌入式连接方式具有更高的强度及稳定性，可提高产品在使用环境中的可靠性。两者形成连接结构后，通过常规焊接或机械紧固连接将金属连接件与金属主船体进行连接，金属连接件的形状可以根据与主船体连接位置及形式的不同而进行设计，从而改善复合材料上层建筑底部与主船体的连接区域的薄弱问题。该复合材料板与金属连接件的连接结构可靠性高、连接强度高、稳定性好，有助于复合材料上层建筑在舰船上的应用。

优选地，所述第一复合材料嵌件包括第一梯形嵌件、第一Y形嵌件和第一复合材料过渡层，所述第一复合材料过渡层包裹于所述第一Y形嵌件外侧，所述第一梯形嵌件与包裹所述第一复合材料过渡层的所述第一Y形嵌件拼合后构成所述第一复合材料嵌件，所述第一梯形嵌件靠近所述第一复合材料蒙皮一侧设置；

所述第二复合材料嵌件包括第二梯形嵌件、第二Y形嵌件和第二复合材料过渡层，所述第二复合材料过渡层包裹于所述第二Y形嵌件外侧，所述第二梯形嵌件与包裹所述第二复合材料过渡层的所述第二Y形嵌件拼合后构成所述第二复合材料嵌件，所述第二梯形嵌件靠近所述第二复合材料蒙皮一侧设置。

本发明的复合材料板与金属连接件的连接结构，其中第一复合材料嵌件、第二复合材料嵌件的设置是为了在采用第一增强材料、第二增强材料对第一燕尾槽、第二燕尾槽进行填充时，对增强材料的位置进行固定，可避免燕尾槽中树脂分布不均，造成第一蒙皮、第二蒙皮机械强度不佳，同时通过本发明可得到一种大型上层建筑局部复合材料与金属部件的一体化连接结构，提高复合材料与金属连接结构的承载能力和可靠性，具有较强的推广性。

优选地，所述第一梯形嵌件的靠近所述第一蒙皮一侧的底角与对应的所述第一燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第二梯形嵌件的靠近所述第二蒙皮一侧的底角与对应的所述第二燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第一Y形嵌件的靠近所述第一燕尾槽一侧的底角与对应的所述第一燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第二Y形嵌件的靠近所述第二燕尾槽一侧的底角与对应的所述第二燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第一复合材料嵌件和/或所述第二复合材料嵌件的结构尺寸符合以下公式：

h=h₁+h₃+b；

h=h₂+b；

其中，h为所述第一燕尾槽或所述第二燕尾槽的高度；h₁为所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的高度；h₂为所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的高度；h₃为所述第一复合材料过渡层的增强材料或所述第二复合材料过渡层的增强材料的厚度；b为所述第一复合材料蒙皮或所述第二复合材料蒙皮的增强材料的厚度。

优选地，所述第一梯形嵌件和/或所述第二梯形嵌件的侧壁上还设有第一树脂流道，所述第一树脂流道包括沿所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的长度方向设置的第一横向树脂流道和垂直于所述第一横向树脂流道的第一纵向树脂流道，且所述第一横向树脂流道贯通所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的长度方向的两端，所述第一纵向树脂流道贯通所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的顶部和底部；

所述第一Y形嵌件的靠近所述第一燕尾槽的侧壁和/或所述第二Y形嵌件的靠近所述第二燕尾槽的侧壁设有第二树脂流道，所述第二树脂流道包括沿所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的长度方向设置的第二横向树脂流道和垂直于所述第二横向树脂流道的第二纵向树脂流道，且所述第二横向树脂流道贯通所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的长度方向的两端，所述第二纵向树脂流道贯通所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的顶部和底部。

在复合材料嵌件上设置树脂流道可保证金属连接件内复合材料增强材料纤维织物在成型过程中树脂能够有效浸渍；贯通式树脂流道可满足复合材料成型时燕尾槽长度方向胶液流通，保证灌注时面内的浸渍效果。

优选地，所述第一树脂流道和/或所述第二树脂流道的横截面为三角形或椭圆形。

优选地，所述金属连接件包括用于与复合材料板连接的第一金属板和用于与金属件连接的第二金属板，所述第一燕尾槽、所述第二燕尾槽设于所述第一金属板的一侧板面，所述第二金属板与所述第一金属板的另一侧板面连接，所述第一金属板与所述第二金属板之间设有多个加强筋，多个所述加强筋沿所述第一金属板的长度方向间隔设置。加强筋的设置使得该连接结构具有更好的力学性能、安全性及可靠性。

优选地，相邻的所述加强筋之间间隔350-500mm。

优选地，所述加强筋为T10对称球扁钢。

优选地，所述第一复合材料蒙皮和/或所述第二复合材料蒙皮和/或所述第一复合材料过渡层和/或所述第二复合材料过渡层为纤维增强树脂基复合材料；增强材料为单向织物、方格织物、四轴向织物及其他方向织物，具体根据实际设计而定；增强材料选自碳纤维、玻璃纤维、石英纤维和芳纶纤维中的一种或几种的组合；树脂基体为环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、氰酸酯树脂中的一种或几种的组合。

优选地，所述第一梯形嵌件和/或所述第二梯形嵌件和/或第一Y形嵌件和/或第二Y形嵌件为纤维增强树脂基复合材料，增强材料可以为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维等材质，树脂材料可以为乙烯基树脂。

优选地，所述芯材为巴萨木、聚氯乙烯泡沫、NOMEX纸蜂窝、硬质聚氨酯泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺中的一种或几种的组合。

优选地，所述金属连接件为钢材质；进一步优选地，所述金属连接件为907A船用钢、Q345钢、45#钢中的一种。

本发明的另一方面提供一种复合材料板与金属主船体的连接结构：

包括金属主船体和上述的复合材料板与金属连接件的连接结构，所述金属连接件与所述金属主船体通过焊接或机械紧固进行连接。通过该连接结构将金属主船体与复合材料板进行连接，与机械连接方式相比，可以消除复合材料板与金属主船体在连接部位承载的应力集中，相比于粘接连接，一体成型的嵌入式连接方式具有更高的强度及稳定性，可提高产品在使用环境中的可靠性，同时保证了连接结构中的密封效果，使其密封功能与复合材料部件同寿命，避免了机械连接的密封件失效更换问题，也避免了粘接连接受载脱粘密封失效问题，有助于复合材料上层建筑在舰船上的应用。

本发明的再一方面提供一种复合材料板与金属连接件的连接方法，包括以下步骤：

S1. 制作金属连接件，并在所述金属连接件的连接面上两侧边处分别加工第一燕尾槽和第二燕尾槽，所述第一燕尾槽、所述第二燕尾槽沿连接后所述复合材料板的边长所在的方向设置；

S2. 将第一增强材料的一端伸入所述第一燕尾槽中，并通过第一复合材料嵌件将所述第一增强材料的端部固定在所述第一燕尾槽中；

S3. 加工芯材，将所述芯材放入所述金属连接件的连接面处，将所述第一增强材料延伸至覆盖所述芯材的一侧的表面；

S4. 将第二增强材料的一端伸入所述第二燕尾槽中，并通过第二复合材料嵌件将所述第二增强材料的端部固定在所述第二燕尾槽中；

S5. 将所述第二增强材料延伸至覆盖所述芯材的另一侧的表面；

S6. 设置模具并铺设成型辅材，采用真空导入工艺向所述第一增强材料、所述第二增强材料灌注树脂材料，并固化成型，完成复合材料板与金属连接件的连接。

本发明的复合材料板与金属连接件的连接方法，使用复合材料嵌件将蒙皮的增强材料嵌入并固定在金属连接件中，再通过真空辅助成型工艺将两者一体成型，通过嵌入式一体成型连接结构，使得复合材料板与金属连接件满足连接强度要求，并保证了密封效果；与机械连接相比可以消除复合材料板与金属连接件在连接部位承载的应力集中，与粘接连接相比，一体成型的嵌入式连接方式具有更高的强度及稳定性，可提高产品在使用环境中的可靠性。两者形成整体后，通过传统焊接工艺将金属连接件与主船体进行连接，金属连接件的形状可以根据与主船体连接位置及形式的不同而进行设计，从而改善复合材料上层建筑底部与主船体的连接区域的薄弱问题。

优选地，所述第一复合材料嵌件包括第一梯形嵌件、第一Y形嵌件和第一复合材料过渡层；所述第二复合材料嵌件包括第二梯形嵌件、第二Y形嵌件和第二复合材料过渡层；

步骤S2具体为：

将包裹第一梯形嵌件的第一增强材料的一端沿所述第一燕尾槽的一侧内壁面伸入所述第一燕尾槽中，并铺覆至所述的第一燕尾槽的内底面，然后采用钝器将包裹第一复合材料过渡层增强材料的第一Y形嵌件敲入所述第一燕尾槽与所述第一梯形嵌件之间的空间内，使所述第一增强材料的端部固定在所述第一燕尾槽中；

步骤S4具体为：

将包裹第二梯形嵌件的第二增强材料的一端沿所述第二燕尾槽的一侧内壁面伸入所述第二燕尾槽中，并铺覆至所述的第二燕尾槽的内底面，然后采用钝器将包裹第二复合材料过渡层增强材料的第二Y形嵌件敲入所述第二燕尾槽与所述第二梯形嵌件之间的空间内，使所述第二增强材料的端部固定在所述第二燕尾槽中。

优选地，所述第一梯形嵌件的靠近所述第一增强材料的一侧的底角与对应的所述第一燕尾槽的底角的角度相同或相差不大于5°；所述第二梯形嵌件的靠近所述第二增强材料的一侧的底角与对应的所述第二燕尾槽的底角的角度相同或相差不大于5°；所述第一Y形嵌件的靠近所述第一燕尾槽一侧的底角与对应的所述第一燕尾槽的底角的角度相同或相差不大于5°；所述第二Y形嵌件的靠近所述第二燕尾槽一侧的底角与对应的所述第二燕尾槽的底角的角度相同或相差不大于5°；所述第一复合材料嵌件和/或所述第二复合材料嵌件的结构尺寸符合以下公式：

h=h₁+h₃+b；

h=h₂+b；

其中，h为所述第一燕尾槽或所述第二燕尾槽的高度；h₁为所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的高度；h₂为所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的高度；h₃为所述第一复合材料过渡层增强材料或所述第二复合材料过渡层增强材料的厚度；b为所述第一增强材料或所述第二增强材料的厚度。

优选地，所述金属连接件包括用于与复合材料板连接的第一金属板和用于与金属件连接的第二金属板，所述第一燕尾槽、所述第二燕尾槽设于所述第一金属板的一侧板面，所述第二金属板与所述第一金属板的另一侧板面连接，所述第一金属板与所述第二金属板之间设有多个加强筋，多个所述加强筋沿所述第一金属板的长度方向间隔设置。

优选地，还包括在步骤S2之前进行：

在所述第一梯形嵌件和/或所述第二梯形嵌件的侧壁上加工第一树脂流道，所述第一树脂流道包括沿所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的长度方向设置的第一横向树脂流道和垂直于所述第一横向树脂流道的第一纵向树脂流道，且所述第一横向树脂流道贯通所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的长度方向的两端，所述第一纵向树脂流道贯通所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的顶部和底部；

在所述第一Y形嵌件的靠近所述第一燕尾槽的侧壁和/或所述第二Y形嵌件的靠近所述第二燕尾槽的侧壁加工第二树脂流道，所述第二树脂流道包括沿所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的长度方向设置的第二横向树脂流道和垂直于所述第二横向树脂流道的第二纵向树脂流道，且所述第二横向树脂流道贯通所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的长度方向的两端，所述第二纵向树脂流道贯通所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的顶部和底部。

优选地，步骤S1中，加工所述第一燕尾槽和所述第二燕尾槽的方法为线切割、激光切割中的一种或几种的组合。

优选地，还包括在步骤S2之前对所述第一燕尾槽、所述第二燕尾槽的内表面及所述第一燕尾槽、所述第二燕尾槽之间的区域的表面进行表面处理，所述表面处理为喷砂、机械打磨、阳极化处理、表面磷化中一种或几种的组合。通过事先对金属连接件进行表面处理，可提高纤维增强复合材料蒙皮与金属连接件内表面之间的界面粘接效果，进一步提高复合材料板与金属连接件之间连接强度。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明的复合材料板与金属连接件的连接结构及方法，使用复合材料嵌件将蒙皮的增强材料嵌入并固定在金属连接件中，再通过真空辅助成型工艺将两者一体成型，通过嵌入式一体成型连接结构，使得复合材料板与金属连接件满足连接强度要求，并保证了密封效果；与机械连接相比可以消除复合材料板与金属连接件在连接部位承载的应力集中，与粘接连接相比，一体成型的嵌入式连接方式具有更高的强度及稳定性，可提高产品在使用环境中的可靠性。两者形成整体后，通过传统焊接工艺将金属连接件与主船体进行连接，金属连接件的形状可以根据与主船体连接位置及形式的不同而进行设计，从而改善复合材料上层建筑底部与主船体的连接区域的薄弱问题。

2.本发明的复合材料板与金属主船体的连接结构，复合材料板与金属连接件通过嵌入式一体成型连接，然后再将金属连接件与金属主船体通过焊接或机械连接的方式连接，克服了复合材料板与金属主船体直接螺栓连接或二次粘接所造成的局部应力集中、连接强度低等诸多问题，同时保证了连接结构中的密封效果，使其密封功能与复合材料部件同寿命，避免了机械连接的密封件失效更换问题，也避免了粘接连接受载脱粘密封失效问题，有助于复合材料上层建筑在舰船上的应用。

附图说明

图1是本发明实施例2的复合材料板与金属连接件的连接结构的示意图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3是本发明实施例2的复合材料板与金属连接件的连接结构中金属连接件的结构示意图；

图4是本发明实施例2的复合材料板与金属连接件的连接结构中第一梯形嵌件的结构示意图；

图5是本发明实施例2的复合材料板与金属连接件的连接结构中第一梯形嵌件的横截面图；

图6是本发明实施例2的复合材料板与金属连接件的连接结构中第一Y形嵌件的结构示意图；

图7是本发明实施例2的复合材料板与金属连接件的连接结构中第一Y形嵌件的横截面图；

图8是本发明实施例2的复合材料板与金属连接件的连接结构中A处的尺寸标示图。

其中：

1-复合材料板；11-芯材；12-第一复合材料蒙皮；13-第二复合材料蒙皮；14-第一梯形嵌件；15-第一Y形嵌件；16-第一复合材料过渡层；17-第一树脂流道；18-第二树脂流道；2-金属连接件；21-第一金属板；22-第二金属板；23-加强筋；3-第一燕尾槽；4-第二燕尾槽。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的一种复合材料板与金属连接件的连接方法，包括以下步骤：

S1.图3、图8所示，制作金属连接件2，并在金属连接件2的连接面上两侧边处采用线切割的方法分别加工第一燕尾槽3和第二燕尾槽4，第一燕尾槽3、第二燕尾槽4沿连接后复合材料板1的边长所在的方向设置；金属连接件总长为1000mm，高度为300mm，宽度为150mm，金属连接件包括第一金属板21和第二金属板22，第一燕尾槽3、第二燕尾槽4设于第一金属板21的一侧板面，第二金属板22与第一金属板21的另一侧板面连接，第一金属板与第二金属板之间设有多个加强筋23，多个加强筋沿第一金属板的长度方向间隔200mm设置，第一燕尾槽3、第二燕尾槽4的开口宽度为25mm，下底部宽度为40mm，高度为48mm；金属连接件的材质为船用907A钢材；加强筋规格为T10对称球扁钢；

S2a.对第一燕尾槽3、第二燕尾槽4的内表面及第一燕尾槽、第二燕尾槽之间的区域的表面进行喷砂表面处理；

S2b.如图4、5、6、7制作第一复合材料嵌件、第二复合材料嵌件，第一梯形嵌件14、第二梯形嵌件的上底为7mm，下底为21mm，高为40mm，第一Y形嵌件15、第二Y形嵌件的上底为7mm，下底为4mm，高为38.5mm，4个嵌件的材质为玻璃纤维增强乙烯基树脂复合材料；第一梯形嵌件、第二梯形嵌件的底角角度与对应的燕尾槽的底角的角度相同，第一Y形嵌件、第一Y形嵌件的底角角度与对应的燕尾槽的底角的角度相同；

并在第一梯形嵌件、第二梯形嵌件的侧壁上加工第一树脂流道17，第一树脂流道包括沿第一梯形嵌件或第二梯形嵌件的长度方向设置的第一横向树脂流道和垂直于第一横向树脂流道的第一纵向树脂流道，且第一横向树脂流道贯通第一梯形嵌件或第二梯形嵌件的长度方向的两端，第一纵向树脂流道贯通第一梯形嵌件或第二梯形嵌件的顶部和底部；在第一Y形嵌件的靠近第一燕尾槽的侧壁、第二Y形嵌件的靠近第二燕尾槽的侧壁上加工第二树脂流道18，第二树脂流道包括沿第一Y形嵌件或第二Y形嵌件的长度方向设置的第二横向树脂流道和垂直于第二横向树脂流道的第二纵向树脂流道，且第二横向树脂流道贯通第一Y形嵌件或第二Y形嵌件的长度方向的两端，第二纵向树脂流道贯通第一梯形嵌件或第二梯形嵌件的顶部和底部。

S2. 将第一增强材料（18层面密度为800±50g/m²的E玻璃纤维织物，厚度为8mm，一端包裹第一梯形嵌件，沿第一燕尾槽的一侧内壁面伸入第一燕尾槽中，并铺覆至的第一燕尾槽的内底面，然后用第一复合材料过渡层增强材料（6层面密度为200±50g/m²的S玻璃纤维织物，厚度为1.5mm，包裹第一Y形嵌件，并采用钝器将包裹后的第一Y形嵌件敲入第一燕尾槽与第一梯形嵌件之间的空间内，使第一增强材料的端部固定在第一燕尾槽中，形成图1中所示A结构；

S3. 加工芯材11，芯材材质为聚氯乙烯泡沫（PVC），将芯材放入金属连接件的连接面处，将第一增强材料延伸至覆盖芯材的一侧的表面；

S4. 将第二增强材料（18层面密度为800±50g/m²的E玻璃纤维织物）一端包裹第二梯形嵌件，沿第二燕尾槽的一侧内壁面伸入第二燕尾槽中，并铺覆至的第二燕尾槽的内底面，然后用第二复合材料过渡层增强材料（3层面密度为800±50g/m²的E玻璃纤维织物）包裹第二Y形嵌件，并采用钝器将包裹后的第二Y形嵌件敲入第二燕尾槽与第二梯形嵌件之间的空间内，使第二增强材料的端部固定在第二燕尾槽中，形成图1中所示B结构；

S5. 将第二增强材料延伸至覆盖芯材的另一侧的表面；

S6. 铺层完毕后，合模检查气密性，确保气密性满足要求后，采用真空导入工艺成型，向第一增强材料、第二增强材料、第一复合材料过渡层增强材料、第二复合材料过渡层增强材料整体灌注树脂材料，树脂选用乙烯基树脂体系：用胶量大约为69kg，然后室温环境固化24小时后，脱模后得到产品。此时复合材料夹层板长度为1000mm，夹层板厚度为62mm。夹层板高度为700mm。

实施例2

如图1、2所示，本实施例提供实施例1的连接方法得到的复合材料板与金属连接件的连接结构：

包括复合材料板1与金属连接件2，复合材料板1的边缘与金属连接件2连接；

金属连接件2的连接面上的两侧分别设有第一燕尾槽3和第二燕尾槽4，第一燕尾槽3、第二燕尾槽4沿复合材料板的边长方向设置；

复合材料板1包括芯材11、第一复合材料蒙皮12、第二复合材料蒙皮13、第一复合材料嵌件、第二复合材料嵌件；第一复合材料蒙皮12和第二复合材料蒙皮13分别设于芯材11的两侧的表面；第一复合材料蒙皮12的边缘沿第一燕尾槽的一侧内侧壁面伸入并铺至第一燕尾槽的内底面，第一燕尾槽与第一复合材料蒙皮之间的区域填充第一复合材料嵌件；第二复合材料蒙皮13的边缘沿第二燕尾槽的一侧内侧壁面伸入并铺至第二燕尾槽的内底面，第二燕尾槽与第二复合材料蒙皮之间的区域填充第二复合材料嵌件；芯材11的边缘嵌入第一燕尾槽与第二燕尾槽之间的区域。

其中，第一复合材料嵌件、第二复合材料嵌件用于将第一复合材料蒙皮、第二复合材料蒙皮的增强材料固定于燕尾槽中，避免燕尾槽中树脂分布不均，造成第一蒙皮、第二蒙皮机械强度不佳。复合材料嵌件的结构尺寸可以根据实际需求进行调整，其可以采用单独一个嵌件，也可以采用多个嵌件拼合后形成整体结构。

为了保证复合材料嵌件可以与增强材料更贴合，且更便于装填入燕尾槽中，优选地，第一复合材料嵌件包括第一梯形嵌件14、第一Y形嵌件15和第一复合材料过渡层16，第一复合材料过渡层16包裹于第一Y形嵌件15外侧，第一梯形嵌件14与包裹第一复合材料过渡层的第一Y形嵌件拼合后构成第一复合材料嵌件，第一梯形嵌件靠近第一复合材料蒙皮一侧设置；同样，第二复合材料嵌件包括第二梯形嵌件、第二Y形嵌件和第二复合材料过渡层，第二复合材料过渡层包裹于第二Y形嵌件外侧，第二梯形嵌件与包裹第二复合材料过渡层的第二Y形嵌件拼合后构成第二复合材料嵌件，第二梯形嵌件靠近第二复合材料蒙皮一侧设置。

为了保证燕尾槽中增强材料装填厚度均匀，进一步保证连接结构的力学性能，优选地，如图8所示，第一梯形嵌件、第二梯形嵌件的底角γ与第一燕尾槽、第二燕尾槽的底角θ的角度相差不大于5°，本实施例中，二者角度相同；第一Y形嵌件、第二Y形嵌件的底角α与对应的第一燕尾槽、第二燕尾槽的底角β的角度相差不大于5°，本实施例中，二者角度相同；第一复合材料嵌件、第二复合材料嵌件的结构尺寸符合以下公式：

h=h₁+h₃+b；

h=h₂+b；

其中，h为第一燕尾槽、第二燕尾槽的高度；h₁为第一Y形嵌件、第二Y形嵌件的高度；h₂为第一梯形嵌件、第二梯形嵌件的高度；h₃为第一复合材料过渡层的增强材料、第二复合材料过渡层的增强材料的厚度；b为第一复合材料蒙皮、第二复合材料蒙皮的增强材料的厚度。

本实施例中，第一燕尾槽、第二燕尾槽的高度为55mm，开口宽度为25mm，下底部宽度为45mm；第一梯形嵌件、第二梯形嵌件的高为49mm，上底为15mm，下底为35mm，材质为玻璃纤维增强乙烯基树脂复合材料；第一Y形嵌件、第二Y形嵌件的上底为7mm，下底为4mm，高为38.5mm，材质为玻璃纤维增强乙烯基树脂复合材料；第一复合材料过渡层的增强材料、第二复合材料过渡层的增强材料为6层面密度为200±50g/m²的S玻璃纤维织物，厚度为1.5mm。

为了保证金属连接件内复合材料增强材料纤维织物在成型过程中树脂能够有效浸渍，并保证灌注时面内的浸渍效果，优选地，如图4、5、6、7所示，第一梯形嵌件、第二梯形嵌件的侧壁上还设有第一树脂流道17，第一树脂流道包括沿第一梯形嵌件或第二梯形嵌件的长度方向设置的第一横向树脂流道和垂直于第一横向树脂流道的第一纵向树脂流道，且第一横向树脂流道贯通第一梯形嵌件或第二梯形嵌件的长度方向的两端，第一纵向树脂流道贯通第一梯形嵌件或第二梯形嵌件的顶部和底部。第一Y形嵌件的靠近第一燕尾槽的侧壁、第二Y形嵌件的靠近第二燕尾槽的侧壁设有第二树脂流道18，第二树脂流道包括沿第一Y形嵌件或第二Y形嵌件的长度方向设置的第二横向树脂流道和垂直于第二横向树脂流道的第二纵向树脂流道，且第二横向树脂流道贯通第一Y形嵌件或第二Y形嵌件的长度方向的两端，第二纵向树脂流道贯通第一梯形嵌件或第二梯形嵌件的顶部和底部。

进一步地，树脂流道的形状可以进行调整，优选地，第一树脂流道、第二树脂流道的横截面为三角形或椭圆形，本实施例中，树脂流道的横截面为椭圆形。

其中，金属连接件上远离连接面的部位用于与金属主船体连接，优选地，如图3所示，金属连接件2包括用于与复合材料板连接的第一金属板21和用于与金属件连接的第二金属板22，第一燕尾槽3、第二燕尾槽4设于第一金属板21的一侧板面，第二金属板22与第一金属板21的另一侧板面连接，为了使该连接结构具有更好的力学性能、安全性及可靠性，第一金属板与第二金属板之间还设有多个加强筋23，多个加强筋23沿第一金属板的长度方向间隔设置。

进一步地，本实施例中，金属连接件总长为1000mm，高度为300mm，宽度为150mm，加强筋沿第一金属板的长度方向间隔200mm设置；加强筋为T10对称球扁钢。

其中，第一复合材料蒙皮、第二复合材料蒙皮、第一复合材料过渡层、第二复合材料过渡层为纤维增强树脂基复合材料；增强材料可选择单向织物、方格织物、四轴向织物及其他方向织物，具体根据实际设计而定；增强材料的种类可以为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维和芳纶纤维中的一种或几种的组合；树脂基体可以为环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、氰酸酯树脂中的一种或几种的组合。本实施例中，第一复合材料蒙皮、第二复合材料蒙皮、第一复合材料过渡层和、第二复合材料过渡层的增强材料均为面密度为800±50g/m²的E玻璃纤维织物，树脂材料为乙烯基树脂。

其中，芯材可以为巴萨木、聚氯乙烯泡沫、NOMEX纸蜂窝、硬质聚氨酯泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺中的一种或几种的组合。本实施例中，芯材的材质为巴萨木。

其中，金属连接件为钢材质，可以907A船用钢、Q345钢、45#钢中的一种，本实施例中，金属连接件为船用907A钢材。

实施例3

本实施例的复合材料板与金属主船体的连接结构，包括金属主船体和上述的实施例2的复合材料板与金属连接件的连接结构，金属连接件与金属主船体通过焊接或机械紧固进行连接。

通过该连接结构将金属主船体与复合材料板进行连接，与机械连接方式相比，可以消除复合材料板与金属主船体在连接部位承载的应力集中，相比于粘接连接，一体成型的嵌入式连接方式具有更高的强度及稳定性，可提高产品在使用环境中的可靠性，同时保证了连接结构中的密封效果，使其密封功能与复合材料部件同寿命，避免了机械连接的密封件失效更换问题，也避免了粘接连接受载脱粘密封失效问题，有助于复合材料上层建筑在舰船上的应用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种复合材料板与金属连接件的连接结构，其特征在于：

包括复合材料板与金属连接件，所述复合材料板的边缘与所述金属连接件连接；

所述金属连接件的连接面上的两侧分别设有第一燕尾槽和第二燕尾槽，所述第一燕尾槽、所述第二燕尾槽沿所述复合材料板的边长方向设置；

所述复合材料板包括芯材、第一复合材料蒙皮、第二复合材料蒙皮、第一复合材料嵌件、第二复合材料嵌件；所述第一复合材料蒙皮和所述第二复合材料蒙皮分别设于所述芯材的两侧的表面；所述第一复合材料蒙皮的边缘沿所述第一燕尾槽的一侧内侧壁面伸入并铺至所述第一燕尾槽的内底面，所述第一燕尾槽与所述第一复合材料蒙皮之间的区域填充所述第一复合材料嵌件；所述第二复合材料蒙皮的边缘沿所述第二燕尾槽的一侧内侧壁面伸入并铺至所述第二燕尾槽的内底面，所述第二燕尾槽与所述第二复合材料蒙皮之间的区域填充所述第二复合材料嵌件；所述芯材的边缘嵌入所述第一燕尾槽与所述第二燕尾槽之间的区域。

2.根据权利要求1所述的复合材料板与金属连接件的连接结构，其特征在于：

所述第一复合材料嵌件包括第一梯形嵌件、第一Y形嵌件和第一复合材料过渡层，所述第一复合材料过渡层包裹于所述第一Y形嵌件外侧，所述第一梯形嵌件与包裹所述第一复合材料过渡层的所述第一Y形嵌件拼合后构成所述第一复合材料嵌件，所述第一梯形嵌件靠近所述第一复合材料蒙皮一侧设置；

所述第二复合材料嵌件包括第二梯形嵌件、第二Y形嵌件和第二复合材料过渡层，所述第二复合材料过渡层包裹于所述第二Y形嵌件外侧，所述第二梯形嵌件与包裹所述第二复合材料过渡层的所述第二Y形嵌件拼合后构成所述第二复合材料嵌件，所述第二梯形嵌件靠近所述第二复合材料蒙皮一侧设置。

3.根据权利要求2所述的复合材料板与金属连接件的连接结构，其特征在于：

所述第一梯形嵌件的靠近所述第一复合材料 蒙皮一侧的底角与对应的所述第一燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第二梯形嵌件的靠近所述第二复合材料 蒙皮一侧的底角与对应的所述第二燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第一Y形嵌件的靠近所述第一燕尾槽一侧的底角与对应的所述第一燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第二Y形嵌件的靠近所述第二燕尾槽一侧的底角与对应的所述第二燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第一复合材料嵌件和/或所述第二复合材料嵌件的结构尺寸符合以下公式：

h=h₁+h₃+b；

h=h₂+b；

其中，h为所述第一燕尾槽或所述第二燕尾槽的高度；h₁为所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的高度；h₂为所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的高度；h₃为所述第一复合材料过渡层的增强材料或所述第二复合材料过渡层的增强材料的厚度；b为所述第一复合材料蒙皮或所述第二复合材料蒙皮的增强材料的厚度。

4.根据权利要求2所述的复合材料板与金属连接件的连接结构，其特征在于：

所述第一梯形嵌件和/或所述第二梯形嵌件的侧壁上还设有第一树脂流道，所述第一树脂流道包括沿所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的长度方向设置的第一横向树脂流道和垂直于所述第一横向树脂流道的第一纵向树脂流道，且所述第一横向树脂流道贯通所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的长度方向的两端，所述第一纵向树脂流道贯通所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的顶部和底部；

所述第一Y形嵌件的靠近所述第一燕尾槽的侧壁和/或所述第二Y形嵌件的靠近所述第二燕尾槽的侧壁设有第二树脂流道，所述第二树脂流道包括沿所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的长度方向设置的第二横向树脂流道和垂直于所述第二横向树脂流道的第二纵向树脂流道，且所述第二横向树脂流道贯通所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的长度方向的两端，所述第二纵向树脂流道贯通所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的顶部和底部。

5.根据权利要求1所述的复合材料板与金属连接件的连接结构，其特征在于：

所述金属连接件包括用于与复合材料板连接的第一金属板和用于与金属件连接的第二金属板，所述第一燕尾槽、所述第二燕尾槽设于所述第一金属板的一侧板面，所述第二金属板与所述第一金属板的另一侧板面连接，所述第一金属板与所述第二金属板之间设有多个加强筋，多个所述加强筋沿所述第一金属板的长度方向间隔设置。

6.一种复合材料板与金属主船体的连接结构，其特征在于：

包括金属主船体和如权利要求1-5任一项所述的复合材料板与金属连接件的连接结构，所述金属连接件与所述金属主船体通过焊接或机械紧固进行连接。

7.一种复合材料板与金属连接件的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 制作金属连接件，并在所述金属连接件的连接面上两侧边处分别加工第一燕尾槽和第二燕尾槽，所述第一燕尾槽、所述第二燕尾槽沿连接后所述复合材料板的边长所在的方向设置；

S2. 将第一增强材料的一端伸入所述第一燕尾槽中，并通过第一复合材料嵌件将所述第一增强材料的端部固定在所述第一燕尾槽中；

S3. 加工芯材，将所述芯材放入所述金属连接件的连接面处，将所述第一增强材料延伸至覆盖所述芯材的一侧的表面；

S4. 将第二增强材料的一端伸入所述第二燕尾槽中，并通过第二复合材料嵌件将所述第二增强材料的端部固定在所述第二燕尾槽中；

S5. 将所述第二增强材料延伸至覆盖所述芯材的另一侧的表面；

S6. 设置模具并铺设成型辅材，采用真空导入工艺向所述第一增强材料、所述第二增强材料灌注树脂材料，并固化成型，完成复合材料板与金属连接件的连接。

8.根据权利要求7所述的复合材料板与金属连接件的连接方法，其特征在于：

所述第一复合材料嵌件包括第一梯形嵌件、第一Y形嵌件和第一复合材料过渡层；所述第二复合材料嵌件包括第二梯形嵌件、第二Y形嵌件和第二复合材料过渡层；

步骤S2具体为：

将包裹第一梯形嵌件的第一增强材料的一端沿所述第一燕尾槽的一侧内壁面伸入所述第一燕尾槽中，并铺覆至所述的第一燕尾槽的内底面，然后采用钝器将包裹第一复合材料过渡层增强材料的第一Y形嵌件敲入所述第一燕尾槽与所述第一梯形嵌件之间的空间内，使所述第一增强材料的端部固定在所述第一燕尾槽中；

步骤S4具体为：

将包裹第二梯形嵌件的第二增强材料的一端沿所述第二燕尾槽的一侧内壁面伸入所述第二燕尾槽中，并铺覆至所述的第二燕尾槽的内底面，然后采用钝器将包裹第二复合材料过渡层增强材料的第二Y形嵌件敲入所述第二燕尾槽与所述第二梯形嵌件之间的空间内，使所述第二增强材料的端部固定在所述第二燕尾槽中。

9.根据权利要求8所述的复合材料板与金属连接件的连接方法，其特征在于：

所述第一梯形嵌件的靠近所述第一增强材料的一侧的底角与对应的所述第一燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第二梯形嵌件的靠近所述第二增强材料的一侧的底角与对应的所述第二燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第一Y形嵌件的靠近所述第一燕尾槽一侧的底角与对应的所述第一燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第二Y形嵌件的靠近所述第二燕尾槽一侧的底角与对应的所述第二燕尾槽的底角的角度相差不大于5°；所述第一复合材料嵌件和/或所述第二复合材料嵌件的结构尺寸符合以下公式：

h=h₁+h₃+b；

h=h₂+b；

其中，h为所述第一燕尾槽或所述第二燕尾槽的高度；h₁为所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的高度；h₂为所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的高度；h₃为所述第一复合材料过渡层增强材料或所述第二复合材料过渡层增强材料的厚度；b为所述第一增强材料或所述第二增强材料的厚度。

10.根据权利要求8所述的复合材料板与金属连接件的连接方法，其特征在于，还包括在步骤S2之前进行：

在所述第一梯形嵌件和/或所述第二梯形嵌件的侧壁上加工第一树脂流道，所述第一树脂流道沿所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的长度方向设置，且贯通所述第一梯形嵌件或所述第二梯形嵌件的两端；

在所述第一Y形嵌件的靠近所述第一燕尾槽的侧壁和/或所述第二Y形嵌件的靠近所述第二燕尾槽的侧壁加工第二树脂流道，所述第二树脂流道沿所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的长度方向设置，且贯通所述第一Y形嵌件或所述第二Y形嵌件的两端。

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