一种复合材料界面连接结构及方法
阅读说明：本技术 一种复合材料界面连接结构及方法 (Composite material interface connecting structure and method ) 是由 刘铁让 高丽敏 陈程 奚晓波 李星 宋彦辉 李晨 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种复合材料界面连接结构及方法,涉及飞机机体结构设计技术领域,采用点传力和面传力两种传力方式进行连接,能够大大降低对传统点传力连接中螺栓强度的要求,能够提高结构的刚度,有效改善滑移问题；该方法在待连接构件的啮合层设置剪切键,通过剪切键进行连接,同时通过螺栓或钉对所述待连接构件进行紧固连接,使传力途径成为面传力途径和点传力途径相结合的方式；所述剪切键与所述待连接构件之间还设有底膜,以增强键剪切键的胶结性能或者提供电化学腐蚀绝缘层；两个待连接构件上的剪切键交替设置；一个所述待连接构件上的底膜与另一个所述待连接构件上的剪切键连接。本发明提供的技术方案适用于复合材料结构的连接设计。(The invention provides a composite material interface connection structure and a method, which relate to the technical field of structural design of airplane bodies, and are connected by adopting two force transmission modes of point force transmission and surface force transmission, so that the requirement on the strength of a bolt in the traditional point force transmission connection can be greatly reduced, the rigidity of the structure can be improved, and the slippage problem can be effectively improved; the method comprises the steps that shear keys are arranged on meshing layers of components to be connected, the components to be connected are connected through the shear keys, and meanwhile, the components to be connected are fixedly connected through bolts or nails, so that a force transmission path is in a mode of combining a surface force transmission path and a point force transmission path; a bottom film is arranged between the shear key and the member to be connected so as to enhance the cementing property of the shear key or provide an electrochemical corrosion insulating layer; the shearing keys on the two members to be connected are alternately arranged; the base film on one of the members to be connected is connected with the shear bond on the other member to be connected. The technical scheme provided by the invention is suitable for the connection design of the composite material structure.)
技术领域
本发明涉及飞机机体结构设计技术领域，尤其涉及一种复合材料界面连接结构及方法。
背景技术
目前在复合材料飞机结构设计中，应用传统的螺栓连接设计思想，很多情况下结构的安全裕度都是由部件之间或构件之间连接处螺栓孔或钉孔边挤压应力控制的。因此，为了提高设计裕度通常需要增加复合材料结构在连接处的厚度，或者螺栓或钉的直径，或者紧固件的数目等等。显然这样的方法在一定程度上会增加结构的重量。再者，应用传统的螺栓连接设计思想，常常在一些关键连接区域如翼根等，为了满足强度要求需要采用高性能螺栓，毫无疑问，这对提高结构设计的经济性带来不利。还有，在传统的螺栓连接设计中，由于螺栓与孔壁之间的间隙以及受载时两者之间挤压所可能引起的变形，连接件之间可能会产生微小滑移，这将直接影响结构的整体刚度，如机翼的整体刚度等。
现有技术中也有多种用于界面连接的方案。比如：专利200810064671.9公开一种金属材料和非金属复合材料的连接方法。该文件所采用的方法是通过在金属材料与非金属材料连界面之间增加一个金属粉末层然后在高温下利用AgCu熔接在一起，以提高金属与非金属界面粘结强度。但其需要高温熔接操作且不可拆卸。专利202021424249.2公开一种圆形金属件与纤维增强复合材料的连接结。通过在金属板的连接面上首先设置多个凹槽，然后用插入复材件中的伞状纤维束填充这些凹槽，最后再通过树脂灌注固化成型。一方面开设凹槽对连接件强度有影响，另一方面其伞状纤维束与凹槽以及纤维布的连接以及浇筑成型的操作复杂。专利201710195926.4公开一种机翼壁板对接结构，将两块机翼壁板直接对接，在对接处的上下两侧分别设置连接带板，连接带板与机翼壁板的表面啮合连接。这种连接方式需要对待连接件，即机翼壁板，进行处理，使之能够与连接带板实现啮合，对待连接件的形改比较大，使用场景受限。
因此，有必要研究一种复合材料界面连接结构及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种复合材料界面连接结构及方法，采用点传力和面传力两种传力方式进行连接，能够大大降低对传统点传力连接中螺栓强度的要求，能够提高结构的强度和刚度，有效改善滑移问题。
一方面，本发明提供一种复合材料界面连接结构，所述结构包括待连接的第一构件和第二构件；其特征在于，所述第一构件的表面设有第一啮合层，所述第二构件的表面设有第二啮合层；所述第一啮合层包括第一剪切键，所述第二啮合层包括第二剪切键；所述第一啮合层和所述第二啮合层通过所述第一剪切键和所述第二剪切键啮合连接；
所述第一构件和所述第二构件之间采用螺栓或钉紧固连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一啮合层还包括第一底膜，所述第一构件、所述第一底膜和所述第一剪切键依次胶结连接；
所述第二啮合层还包括第二底膜，所述第二构件、所述第二底膜和所述第二剪切键依次胶结连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一剪切键和所述第二剪切键的形状均为条带形、弧形和圆形中的任意一种或多种。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述螺栓处，所述第一剪切键和所述第二剪切键隔开一段距离设置。即所述螺栓处可以不设有所述第一剪切键或所述第二剪切键。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一底膜和所述第二底膜为石墨烯薄膜、碳纤维复合材料薄膜或金属材料薄膜。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一剪切键和所述第二剪切键的材质为石墨烯、碳纤维复合材料或金属材料。
另一方面，一种复合材料界面连接方法，其特征在于，适用于如上任一所述的界面连接结构；
所述方法在待连接构件的贴合表面设置用于啮合的剪切键，通过剪切键进行剪力传递，同时通过螺栓或钉为待连接构件提供紧固力，使传力途径成为面传力和点传力相结合的方式。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述剪切键与所述待连接构件之间还设有底膜，通过所述底膜来增强剪切键与待连接构件的连接强度或提供电化学腐蚀绝缘层。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，连接时，所述待连接构件、所述底膜和所述剪切键依次胶结连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述螺栓处，所述剪切键隔开一段距离设置，即所述螺栓处不设有所述剪切键。
所述螺栓处也可以设置剪切键，但是设置剪切键容易存在点传力和面传力相互干扰的情况。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明提供了螺栓或钉之外又一新的传力途径，即连接界面之间通过剪切键和底膜连接；在本质上，由于将传统的基于螺栓的点传力途径发展到点面结合的多传力路径设计，即将传载方式由螺栓处的点传载转化到阵列分布的界面剪切键传载，所以为结构连接设计提供了更多的灵活性，将传统设计中螺栓或钉所应该承受的剪切载荷部分地甚至全部地转变成由连接界面之间的剪切键来传递；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于双重剪切载荷传递方式，可以大大降低对高强度螺栓的要求，可以消除传统连接可能产生滑移的问题，从而可提高结构的刚度；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：通过设置底膜来增强剪切键的胶结性能或者根据需要提供可能的电化学腐蚀绝缘层；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：使结构更加安全可靠，界面层啮合一旦失效后螺栓还可以传统螺栓方式来传递剪切载荷；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明能够适用于广泛意义上的结构贴合面之间的连接设计，如翼梁与蒙皮之间的连接，蒙皮与长桁之间的连接等等。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的复合材料界面连接结构图；
图2是本发明一个实施例提供的第一构件和第二构件的结构示意图。
其中，图中：
1、第一构件；2、第二构件；3、第一啮合层；4、第二啮合层；5、紧固螺栓；31、第一底膜；32、第一剪切键；41、第二底膜；42、第二剪切键。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
针对现有技术的不足，本发明提供一种通过界面啮合连接的设计思想，即把传统机械连接设计中螺栓或钉所应该承受的剪切载荷部分地甚至全部地转变成由连接界面之间的相互啮合来传递。在此基础上，再提出一种增设界面剪切键的方式，来把传统机械连接设计中螺栓或钉所应该承受的剪切载荷部分甚至全部转变成由连接界面之间的剪切键来传递。该剪切键采用高强度、高模量和抗磨损的高性能材料诸如石墨烯薄膜等来设计。这一技术不只可以应用于各种带板连接场景，也可推广应用于一般飞机上的装配连接，如只含一个贴合面的情形，包括翼梁与蒙皮的连接，翼肋和机身框与蒙皮的连接甚至长桁与蒙皮的连接等等。
如图1和图2所示。第一构件1和第二构件2为两个要进行界面连接的构件。第一构件1的连接面上设置有第一啮合层3，第二构件2的连接面上设置有第二啮合层4，两个啮合层进行贴合连接，并用若干紧固螺栓5对两个构件进行纵向的紧固连接。第一啮合层3包括薄层状的第一底膜31和设置在第一底膜31表面的第一剪切键32。第二啮合层4包括薄层状的第二底膜41和设置在第二底膜41表面的第二剪切键42。可以根据具体情况决定底膜是否需要。第一底膜和第二底膜通过胶结分别与第一构件和第二构件的贴合表面连接在一起；第一剪切键和第二剪切也通过胶结分别与第一底模和第二底模连接在一起，或者在不使用底模时直接与待连接的第一构件和第二构件的贴合面胶结。
首先，在待连接的两个构件(第一构件1和第二构件2)的贴合面上粘结高强度、高模量和抗磨损的高性能材料底膜，如石墨烯薄膜、各种复合材料薄膜等，以更好地粘结剪切键，同时避免可能的电化学腐蚀问题。然后，在底膜上再粘结阵列分布的高模量和抗磨损的高性能材料如石墨烯、碳纤维复合材料甚至金属材料等制作的片状剪切键，从而形成构件贴合面上的啮合层(第一啮合层3和第二啮合层4)。这些剪切键可以设计成各种各样的形状，如条带形、弧形、圆形等等。剪切键的平面尺寸、厚度以及数目可根据材料性能及所要承受的剪切载荷用简化的工程方法设计。最后，将带啮合层的构件叠合在一起，再用紧固螺栓5紧固。
该连接方式的步骤包括：
步骤1：准备构件及制作啮合层的材料；构件连接面的准备与一般胶结技术的要求一致，目的是提供胶结底模或直接粘结剪切键的表面。底模材料的选取要避免连接界面之间出现电化学腐蚀问题。
步骤2：在构件贴合面粘结啮合层；底模的粘结及剪切键的粘结均可采用传统方法，如使用环氧树脂等。
步骤3：叠合及螺栓紧固。
该设计方法，相较于传统连接设计，提供了除螺栓或钉之外又一新的传力途径-连接界面之间的啮合层。在本质上，由于它将传统的基于螺栓的点传力途径发展到点面结合的多传力路径设计，所以为结构连接设计提供了更多的灵活性。利用这一设计思想不仅可以大大降低对高强度螺栓的要求，也可为蒙皮、壁板等构件厚度的进一步优化提供了空间。利用这一方法，传统设计中由于螺栓或钉孔挤压所主导的结构设计裕度将不再是问题，不需要再通过增加构件厚度来实现所需要的结构设计裕度，从而为进一步减重开辟了新的途径。再者，利用该设计思想也可消除传统连接设计件之间可能产生的滑移，如翼根连接处，翼梁对接区域等，从而可提高结构的刚度。最后该设计方法将使结构更加安全可靠，因为界面层啮合一旦失效后螺栓还可以传统方式来传递剪切载荷。
以上对本申请实施例所提供的一种复合材料界面连接结构及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
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