[發明專利]船用金屬與夾芯復合材料混合連接結構

有效

• 申請號: 201710303441.2
• 申請日: 2017-05-02
• 公開（公告）號: CN107225804B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 李曉文;朱兆一;李平;李廣年;李妍
• 申請（專利權）人: 集美大學
• 主分類號: B32B1/00
• 分類號: B32B1/00;B32B9/00;B32B9/04;B32B27/02;B32B27/12;B32B17/02;B32B17/10;B32B5/18;B32B15/14;B63B15/00
• 代理公司: 泉州市潭思專利代理事務所(普通合伙) 35221
• 代理人: 廖仲禧

本發明是金屬板與夾芯復合材料的混合連接結構，具體構成包括為船用金屬板材、輕量化芯材、樹脂膠層、纖維增強復合材料以及加強螺栓。其主體結構是輕量化夾芯與預埋L形金屬板的對接，同時輔助纖維增強復合材料蒙皮與夾芯的膠接搭接以及纖維增強復合材料蒙皮與金屬板的膠接和螺栓連接。本連接結構與復合材料上層建筑采用真空輔助工藝一次成型，并初步固定預埋件L形金屬板，固化后采用螺栓連接對預埋件進行二次強化，金屬板預埋區外端預留一定空間采用傳統焊接工藝與金屬主船體相連。本發明顯著改善復合材料與金屬連接結構承載能力較弱的問題，提高了不同材料混合連接的可靠性，簡化了制造裝配工藝，有助于大型化復合材料上層建筑的實船應用。

技術領域

本發明涉及船舶復合材料應用和船舶輕量化領域，主要針對輕量化-多功能復合材料上層建筑與金屬主船體之間的連接區域，適用于參與總縱彎曲的大型上層建筑。

背景技術

目前金屬船舶的上層建筑材料普遍采用船用鋼或鋁合金，船舶在復雜的海洋環境中運行，上層建筑會受到波浪載荷、重物集中載荷、武器發射時的作用力(艦船)、核爆炸沖擊載荷(艦船)、風載、波浪抨擊載荷等，船體上層建筑存在強度、剛度、穩定性、疲勞等問題，尤其是在上層建筑底部與主船體的連接區域，作為船舶整體結構的薄弱環節，由于幾何形式和材料特性的雙重突變，存在明顯的應力集中，容易導致局部結構強度損傷和疲勞破環，從而影響船舶整體結構的可靠和安全，降低船舶壽命。

為了解決復合材料上層建筑與金屬主船體之間的剛度匹配、強度損傷以及疲勞破壞等問題，實現不同材料結構之間的有效連接。設計不同形式的連接結構，實現金屬主船體與復合材料上層建筑的有效搭配，以滿足船舶輕量化-多功能的發展需求。比較典型的船舶實例有法國拉斐特護衛艦，在鋼質主船體上設計夾芯復合材料機庫，在提高艦船隱身性的同時，減小結構重量，提升航速；美國的朱姆沃爾特級驅逐艦設計夾芯復合材料集成上層建筑結構，來增強艦船的隱身性，減輕上層建筑的結構重量，同時降低重心、提高平臺穩定性。實踐表明，夾芯復合材料所特有的輕質、高強、無磁、透波/吸波等特性，能夠滿足未來艦船在隱身、減重等方面的發展需求；復合材料耐化學腐蝕、抗疲勞等特性也較傳統金屬材料更適用于艦船的運行環境。此外，船舶減重意味著有效載荷增加、油耗降低、排放減少，尤其上層建筑減重還可以降低重心，提高穩性。這也符合綠色船舶的發展趨勢，呼應了節能減排的社會主題。因此，使用夾芯復合材料是未來船舶上層建筑設計的一個發展方向?；谏鲜鲈蛱岢鰥A芯復合材料上層建筑搭配金屬主船體的創新設計模式。但是考慮到夾芯復合材料與金屬板材各自不同的固有屬性和受力特征，二者在連接時存在技術難度，為此急需設計制造一種輕質、高強、安全、可靠、制造簡單，并且能有效滿足工程應用要求的連接結構。

發明內容

本申請人針對上述現有夾芯復合材料上層建筑與金屬主船體之間的有效連接問題，進行了改進優化，提供一種結構合理、制造簡便的船用金屬與夾芯復合材料混合連接結構，具有可靠性好、連接強度高、制造方便的優點。

本發明所采用的技術方案如下：

船用金屬與夾芯復合材料混合連接結構，包括分散填充芯材(上層建筑主體芯材和連接區芯材)、L形金屬板，以及按照由內至外的順序覆蓋在分散填充芯材和L形金屬板端面的膠層以及纖維增強復合材料蒙皮；所述L形金屬板的一端預埋入所述分散填充芯材的內部，另一端伸出與所述膠層及纖維增強復合材料蒙皮雙搭接，并與金屬甲板進行傳統方式的連接；所述膠層及復合材料蒙皮向上延伸并覆蓋至夾芯復合材料上層建筑的主體芯材的內外端面。機械連接螺栓以雙排或多排形式固定于L形金屬板與纖維增強復合材料蒙皮的雙搭接區域。

其進一步技術方案在于：

所述復合材料蒙皮采用纖維增強樹脂基復合材料，所述纖維增強樹脂基復合材料中的纖維形式可以采用單向織物、平面織物和其他三向織物；

所述纖維增強樹脂基復合材料為預浸基體樹脂的纖維或未浸基體樹脂的纖維中的任意一種，上述纖維選自碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維或以上三種纖維中的任意一種；