[发明专利]一种复合材料杆件与金属接头的连接结构及成型方法

说明书

本发明公开了一种复合材料杆件与金属接头的连接结构及成型方法，属于结构强度领域。该连接结构中，复合材料杆件包括复合材料中空内筒、复合材料中空外筒，金属接头为空心结构，包括；端头连接部和筒形阶梯连接区，所述筒形阶梯连接区包括弧形连接区和平台连接区，所述平台连接区和弧形连接区分别与复合材料中空内筒、复合材料中空外筒贴合。本发明技术方案适用于以承受拉伸、压缩等轴向载荷为主的复合材料中空筒段与金属接头连接的杆类结构，可承受几吨到几百吨的拉压载荷，相比于金属杆类结构，在满足性能要求的同时，可以获得良好的减重效果。

技术领域

本发明属于结构强度领域，具体涉及一种复合材料杆件与金属接头的连接结构及成型方法。

背景技术

发动机吊挂为飞机主要承力部件，可以分为中央盒段、上部整流罩和后部整流罩等级部分。其中，吊挂盒段为梁式框架结构，用于连接发动机和机翼。对于超静定结构的吊挂盒段来说，下连杆一般用于连接吊挂和机翼下翼面，主要传递发动机推力，承受拉压载荷，如图1所示。传统飞机设计下连杆方案多采用金属连杆+金属接头一体机加成型，所用材料包括钛合金和高强钢，具体方案需要依据机型设计特点、要求以及供应商制造能力来确定。对于翼吊发动机飞机，相比于吊挂传统下连杆设计，复合材料杆件+金属接头的设计方案可以减重35％-80％，潜在效益巨大。目前，波音787飞机吊挂下连杆已采用复合材料设计方案，接头采用钛合金，获得了良好的使用效果。

复材连杆与金属接头之间的连接是吊挂复合材料下连杆设计的关键和难点所在。目前，航空类复合材料结构件多是平面或者大曲面类板结构，对于这类结构，无论是设计分析方法还是制造工艺都已经成熟。但是对于杆类复合材料结构研究甚少，特别是能够承受巨大拉压载荷的杆类结构，更是缺乏可供参考的设计分析方法和制造工艺。如何在设计以及制造工艺上，突破复合材料连杆与金属接头之间的连接技术，是完成复合材料连杆设计与验证的关键一环。

复合材料结构与金属结构的连接形式通常包含胶接和机械连接。由于该连杆传递载荷较高，因此胶接连接无法满足要求；若采用机械连接(如图2)，由于复合材料杆件的可达性较差，只能采用铆钉进行单面安装，装配性和可检性方面也存在较多问题。

现有技术中，波音公司于1984年申请专利“Composite base structure and endfitting joint and method”(Patent Number:4,469,730)，将复材杆与金属接头之间的拉伸载荷转化为hoop载荷，也即90°的碳纤维tension载荷，压缩载荷通过复材与金属的接触面传递，如图3所示。

该方案传递压缩载荷时存在明显不足，复材面外性能较差，若通过复材截面与金属接头的接触来传递压缩载荷，很容易导致复材的压溃，从而造成结构失效。另外该方案也没有考虑复材吸湿老化可能导致的结构松弛问题。

Rolls-Royce公司于2014年申请专利“Method for manufacturing a shaft of agas-turbine engine,in particular a radial shaft or a shaft arranged at anangle to the machine axis”(US2014130964)，提出了一种复合材料涡轮轴与金属接头的连接方案，如图4a-4b所示。该方案设计了花键形式的内、外金属接头，将复材预浸料铺贴到内金属接头上，而后连接外金属接头将复材压实到花键中，从而传递扭矩。方案为传扭轴设计，传递拉压载荷能力不足。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种复合材料杆件与金属接头的连接结构及成型方法，适用于以承受拉伸、压缩等轴向载荷为主的复合材料中空筒段与金属接头连接的杆类结构，可承受几吨到几百吨的拉压载荷，相比于金属杆类结构，在满足性能要求的同时，可以获得良好的减重效果。

根据本发明的第一方面，提供一种复合材料杆件与金属接头的连接结构，其特征在于，