基于软物质的高承载复合材料分型齿连接装置的制作方法

本发明属于高性能纤维增强复合材料连接技术领域，具体涉及一种旨在提高现有复合材料连接技术承载力以及降低复合材料连接处的重量的基于软物质的高承载复合材料分型齿连接装置。

背景技术：

轻量化是土木工程、航空航天与国防装备等领域永恒追求。随着我国的载人航天、大火箭等重大项目推进以及m55、m60等高弹碳纤维国产化，对利用国产高弹碳纤维等研发高承载、超轻量复合材料国防装备的需求越来越迫切。但这些高性能碳纤维相对于普通碳纤维其延伸率更低、纤维的脆性与复材的各向异性更加显著，这将导致现有复合材料连接结构承载力低、可靠性差从而制约这些材料在国防装备主承载构件上应用，因此需要研究一种高承载复合材料连接装置。

在先公开的专利cn201710942875.7，其专利名称为“一种高承载、高疲劳性能的复合材料多级管齿连接装置”，公开的结构为：外金属管、内金属管、过渡金属管。所述外金属管、复合材料管和内金属管自外而内一次设置；所示外金属管、内金属管和复合材料管之间通过齿咬合作用和/有预紧力产生的摩擦力传力；其中，所述的外金属管和复合材管之间设有相互咬合的齿，和/或内金属管复合材料管之间设置相互咬合的齿；其中，预紧力通过外金属套筒被挤压使外金属套筒产生变形施加和/或内金属挤压复合材料管产生变形施加。作为改进，接头中的齿为单级齿或者多级齿，通过多级齿来改善接头的疲劳上性能。

由于钢材是一种弹塑性材料，可以保证钢螺栓连接或者齿连接处每个螺栓和每道齿上分配的荷载大小相同。但由于复合材料是一种弹脆性材料，复合材料齿连接和传统螺栓连接不能使力平均的分配到接头中的每道齿或者螺栓上，从而导致接头第一道齿或第一排螺栓受力过大，在后面齿和螺栓没有充分发挥承载力时接头发生破坏。因此现有的复合材料连接装置不能从根本上解决复合材料连接技术传力不均匀的问题。

而大自然经过数百万年的进化，大自然鬼斧神工般塑造了很多高度优化的结构形式，他们通常具有优异的韧性、强度、抗损伤性和损伤容限，这些性能迄今为止很难在复合材料结构中实现。尽管生物材料的构件通常很弱，有时甚至比复合材料弱几个数量级，但它们在多个尺度上的复杂结构允许它们兼顾适当的强度、韧性和刚度，且重量很轻。基于复合材料与天然骨质材料在材料特性中存在的相似性，将生物齿接头的传力机理应用在复合材料齿连接结构上，则将有效提高现有复合材料结构的连接效率。

技术实现要素：

针对现有复合材料连接技术中存在的不足，提出一种基于软物质的高承载复合材料分型齿连接装置。通过仿生学原理优化齿连接构型，同时为兼顾工程应用降低齿形的复杂度，利用软界面层和齿连接构型具有方向性和合理分布应力的能力，可以调整最大和最小主应力和应变与复合材料纤维之间的方向。

本发明的技术方案：基于软物质的高承载复合材料分型齿连接装置，包括复合材料板，其特征在于：所述复合材料板呈板状，在其两端的上侧面，或下侧面，或上、下两侧面，设置有复合材料分形齿；在复合材料板两端的的上下侧面，分别与金属板相连接，金属板的连接面上加工成对应形式的金属齿，两者贴合后金属齿与复合材料分形齿之间留存一定的缝隙，填充有软性物质；在复合材料板与金属板之间，施加一定的预紧力。这样，本发明通过将金属连接件和复合材料进行连接，通过软性物质、分型齿以及预紧力的施加使接头具有高承载以及较好的耐疲劳性能：通过软物质的施加有效地将第一道齿承受的荷载往后几道齿进行分配，使复合材料齿上的荷载分布均匀，避免现有复合材料齿连接中第一道齿受力最大的问题。

进一步地：所述的复合材料板，其两端用于连接的上侧面，或下侧面，是一个阶梯形齿，往两端端头厚度逐渐增大，该阶梯形齿即为复合材料分形齿的一类构型；与复合材料板的该齿面配合连接的金属板对应的阶梯形金属齿。在斜面上设置阶梯形齿，便于齿形的设置和齿间配合。

进一步地：在复合材料板上设置限位槽，当金属板端部达到限位槽起到预定位的作用。设置限位槽，起到预定位的作用，便于装配和整体结构的配合。

进一步地：所述的金属齿与复合材料分形齿是多级齿，最下端或最前端的齿之间的缝隙最大，填充的软性物质厚度最大，然后依次逐级减小。这形成多级齿传动结构，有效地将第一道齿承受的荷载往后几道齿进行分配，使复合材料齿上的荷载分布均匀，避免现有复合材料齿连接中第一道齿受力最大的问题。

进一步地：在两块金属板之间，沿高度方向对应加工通孔，通过在通孔中穿入螺栓并用螺母锁紧，对复合材料板施加预紧力。方便施加预紧力，形成整体受力结构。

基于软物质的高承载复合材料分型齿连接装置，包括复合材料左管、复合材料右管，其特征在于：在复合材料左管、复合材料右管之间设置金属外套筒，复合材料左管、复合材料右管的外圆端部均设有复合材料分形齿，金属外套筒两端的内腔对应分别设有金属齿，复合材料分形齿和金属齿配合对应设置，两者贴合后金属齿与复合材料分形齿的两个侧端面之间留存一定的缝隙，填充有软性物质；在复合材料左管、复合材料右管与金属外套筒之间，施加一定的预紧力。本发明的第二种实施例结构，通过软性物质、分型齿以及预紧力的施加使接头具有高承载以及较好的耐疲劳性能：通过软物质的施加有效地将第一道齿承受的荷载往后几道齿进行分配，使复合材料齿上的荷载分布均匀，避免现有复合材料齿连接中第一道齿受力最大的问题。

进一步地：在复合材料左管、复合材料右管分别与金属外套筒的连接部位，内金属左套筒通过预紧力设置在复合材料左管内腔，内金属右套筒通过预紧力设置在复合材料右管内腔。

进一步地：在金属外套筒上，设置注胶孔，开孔位置设置在复合材料分形齿、金属齿之间的缝隙处；在整体装配好后，通过一定压力注射的方式，从注胶孔注入软性物质，最后使用销钉对注胶孔进行封堵。

进一步地：内金属左套筒、内金属右套筒的外径分别略大于复合材料左管、复合材料右管的内径，两者通过过盈配合的方式形成一定预紧力。

进一步地：金属外套筒的内径分别与复合材料左管、复合材料右管外径相同，通过挤压外金属套筒施加预紧力，或者使外金属套筒的内径略小于复合材料左管、复合材料右管的外径，通过过盈装配施加预紧力。

本发明具体原理是利用大齿套小齿或阶梯形齿的构型充分发挥材料性能，并通过接触缝隙间软物质的作用使复合材料分型齿连接中每道齿分配荷载大小均匀，同时通过分型齿可以降低每道齿上的应力集中，从而提高接头的承载力、断裂韧性和耐疲劳性能等力学性能。

本发明基于软物质的高承载复合材料分型齿连接装置，相对于现有技术，具有如下特征：

1、本发明通过将金属连接件和复合材料进行连接，通过软物质、分型齿以及预紧力的施加使接头具有高承载以及较好的耐疲劳性能：通过软性物质的施加有效地将第一道齿承受的荷载往后几道齿进行分配，使复合材料齿上的荷载分布均匀，避免现有复合材料齿连接中第一道齿受力最大的问题。

2、通过施加预紧力，提高复合材料层和金属构件之间的正应力，可提高两种材料间的界

面摩擦力以及复合材料齿的剪切强度，从而提高复合材料接头的承载力。

3、通过复合材料与金属之间的多级分型齿进行连接可以有效降低复合材料齿端部的应力集中，从而提高接头的疲劳性能。

4、本发明采用软物质的高承载复合材料，自身质量很轻，能够降低复合材料连接处的重量。

附图说明

图1是本发明第一种实施例总体结构示意图。

图2是第一种实施例结构复合材料板和金属板之间通过分形齿与软物质连接示意图。

图3是第一种实施例结构复合材料板和金属板之间通过大小齿嵌套式分型齿与软物质连接示意图。

图4是第一种实施例结构对接头进行预紧力施加示意图。

图5是本发明第二种实施例总体结构示意图。

图6是第二种实施例结构各部件局部放大图。

图7是第二种实施例总体结构剖面图。

图中：复合材料板1、复合材料分形齿2、金属板3、金属齿4、软性物质5、螺栓6、螺母7、限位槽8；

复合材料左管11、复合材料右管12、金属外套筒13、销钉14、注胶孔15、内金属左套筒16、内金属右套筒17、复合材料分形齿18、金属齿19、软性物质20。

具体实施方式

如图1、2、3、4中，本发明基于软物质的高承载复合材料分型齿连接装置的第一种实施例结构，包括复合材料板1，复合材料板1最佳是碳纤维类复合材料，具有较高的强度和硬度，满足使用要求；复合材料板1呈板状，在其两端的上侧面，或下侧面，或上、下两侧面，沿厚度方向加工成多层级的复合材料分形齿2，分形齿方式为阶梯式或大小齿嵌套式等，在复合材料板1两端的的上下侧面，分别与金属板3相连接，金属板3的连接面上加工成对应形式的金属齿4，即金属齿4与复合材料分形齿2配合对应设置，两者贴合后金属齿4与复合材料分形齿2之间留存一定的缝隙，填充有软性物质5。在复合材料板1与金属板3之间，施加一定的预紧力，使两种紧贴，形成一个整体受力构件。金属齿4与复合材料分形齿2，可以是单级齿也可以为分型齿；所述单级齿齿形可以为梯形齿、直角齿以及圆弧齿等，也可以是不同齿形的组合。如图2所示，在金属板3和复合材料板1上制备的连接齿的一种具体结构：齿深4mm，齿长30mm的分型齿，单级齿的齿深为1mm，形成多级齿，图中共四级齿。由于软物质选用的是软性物质5，因此第一级金属齿4与复合材料分形齿2之前的间距为1.6mm，第二级齿之间的间距为1.3mm，第三级齿之间的间距为1mm，第四级齿之间的间距为0.7mm，即最下端或最前端的齿之间的缝隙最大，填充的软性物质5质量最大，填充的软性物质5厚度最大，然后依次逐级减小，各层级的最佳缝隙厚度需根据材料的具体属性和尺寸进行确定；图1、2所示的复合材料板1，其两端用于连接的上侧面、或下侧面，可以是一个平面，相应地复合材料分形齿2设置在平面上；也可以是一个斜面，往两端端头厚度逐渐增大（或缩小）的斜面，相应地复合材料分形齿2设置在斜面上，形成阶梯形式的齿；相应地与复合材料板1的该斜面配合连接的金属板3对应的面也是斜面。

如图3所示，本发明的齿连接形式不限于阶梯形式，还有大齿套小齿的形式，齿的形状也可以有多种。在复合材料板1上设置限位槽8，当金属板3端部达到限位槽8起到预定位的作用，此时进行装配，这样保证两个对应齿与齿之间的间隙进度更高，更能满足要求。

如图4所示，本发明的预紧力通过螺栓、过盈配合以及挤压的方式使复合材料与金属之间产生较大的预紧力。图中所示的一种施加结构：在两块金属板3之间，沿高度方向对应加工通孔，通过在通孔中穿入螺栓6并用螺母7锁紧，对复合材料板1施加预紧力。本发明的装置，在受力或冲击状态下，上下的金属板3通过分形的连接形式以及不同缝隙间所填充的软性物质5，使外载荷更均匀地传递到复合材料板1端部的分形齿2上，即软物质厚度小的层级更早的承力，软物质厚度大的层级滞后承力，随着外荷载的增加，各层级的承力均达到该层级所能承受的极限承载力。

本发明的软性物质5，是一种软物质，该软物质可以是刚度比需要连接的复合材料与金属小的一些材料，例如：橡胶、软塑料、水凝胶以及粘钢胶等。这些材料需要通过本身的粘结性能或者通过其他方式与连接金属板和复合材料板形成整体。

如图5、6、7所示，本发明基于软物质的高承载复合材料分形齿连接装置的第二种实施列结构，在复合材料左管11、复合材料右管12之间设置金属外套筒13，通过外钢套筒3对两根复合材料左管11、复合材料右管12进行连接，两根复合材料管的外圆端部均设有复合材料分形齿18，金属外套筒13两端的内腔对应分别设有金属齿19，复合材料分形齿18和金属齿19配合对应设置，两者贴合后金属齿19与复合材料分形齿18之间留存一定的缝隙，填充有软性物质20，复合材料分形齿18和金属齿19的连接形式与第一种实施例结构相同，此处不再描述。为了增强连接部位的强度，在复合材料左管11、复合材料右管12分别与金属外套筒13的连接部位，在复合材料左管11、复合材料右管12内腔中，分别设置内金属左套筒16和内金属右套筒17，内金属左套筒16通过预紧力设置在复合材料左管11内腔，内金属右套筒17通过预紧力设置在复合材料右管12内腔，金属外套筒13、复合材料左管11、复合材料右管12、内金属左套筒16和内金属右套筒17分别对应连接；在复合材料左管11、复合材料右管12与金属外套筒13之间，施加一定的预紧力，使两种紧贴，形成一个整体受力构件。

第二实施例与第一实施例施加预紧力的方式有所变化，第一种方法是通过过盈配合施加预紧力的时候，内金属左套筒16、内金属右套筒17的外径分别略大于复合材料左管11、复合材料右管12的内径，通过两种材料内外径的过盈施加预紧力，使两者在一定预紧力作用下过盈配合连接，形成预紧力；第二种方法是通过挤压法施加预紧力时，内金属左套筒16、内金属右套筒17的外径分别与复合材料左管11、复合材料右管12内径相同，通过挤压外金属套筒3施加预紧力。

如图7所示，在金属外套筒13上，设置注胶孔15，开孔位置设置在复合材料分形齿18、金属齿19之间的缝隙处；在整体装配好后，通过一定压力注射的方式，从注胶孔15注入软性物质20，最后使用销钉14对注胶孔15进行封堵。本发明第二实施例形成的受力装置，在受力或冲击状态下，金属外套筒13通过分形齿的连接形式以及不同缝隙间所填充的软性物质20，使外载荷更均匀地传递到复合材料左管11、复合材料右管12端部的复合材料分形齿18上，即软物质厚度小的层级更早的承力，软物质厚度大的层级滞后承力，随着外荷载的增加，各层级的承力均达到该层级所能承受的极限承载力。通过软物质的施加有效地将第一道齿承受的荷载往后几道齿进行分配，使复合材料齿上的荷载分布均匀，避免现有复合材料齿连接中第一道齿受力最大的问题。

本发明的软性物质20，是一种软物质，该软物质可以是刚度比需要连接的复合材料与金属小的一些材料，例如：橡胶、软塑料、水凝胶以及粘钢胶等。这些材料需要通过本身的粘结性能或者通过其他方式与金属外套筒和复合材料管形成整体。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。