[發明專利]一種纖維纏繞復合材料軸端部連接結構及其制造方法

在審

• 申請號: 202111157334.6
• 申請日: 2021-09-30
• 公開（公告）號: CN113883154A
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 李華東;胡浩中;梅志遠;夏奕;武大江;張建設;秦慧
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學;武漢海威船舶與海洋工程科技有限公司
• 主分類號: F16C3/02
• 分類號: F16C3/02;B29C69/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王杰

本發明涉及一種纖維纏繞復合材料軸端部連接結構，包括復合材料軸身纏繞層、變截面金屬預埋件、復合材料纏繞緊固層和端部法蘭；變截面金屬預埋件為圓形截面與多邊形截面連續變化的環狀金屬構件，整體位于復合材料軸身纏繞層的端部內側，復合材料軸身纏繞層采用長纖維連續纏繞工藝，在其芯軸和金屬預埋件表面連續地按照設計角度進行纏繞成型；復合材料纏繞緊固層為設置于復合材料軸身纏繞層外部的大張力纖維纏繞緊固層，覆蓋整個變截面金屬預埋件區域；端部法蘭設置于變截面金屬預埋件的端部。本發明不僅能夠保證復合材料軸身纖維的連續性，而且可實現扭矩、推力和拉力的良好傳遞，具有良好的連接強度、多種載荷傳遞功能和較高的工藝可現實性。

技術領域

本發明涉及復合材料傳動軸設計技術領域，具體涉及一種長纖維纏繞復合材料軸端部與金屬法蘭的連接結構及其制造方法。

背景技術

為減輕傳動軸結構質量，提升傳動軸的減振抑振等功能特性，目前復合材料軸在船舶、車輛、風力發電等領域應用愈來愈廣泛。一般而言，復合材料軸常采用纖維纏繞工藝進行制造成型，為實現其與其他軸段或動力裝置等的連接，常需要在其端部設置金屬法蘭結構，由此產生了復合材料軸身與金屬法蘭之間的連接技術問題。

目前，為實現纖維纏繞復合材料軸與金屬法蘭之間的連接，常采用螺栓機械連接或膠粘連接。其中，螺栓連接方式需在復合材料軸身開孔，進而采用螺栓進行連接，常導致軸身長纖維被切斷，造成局部的高應力集中區域，影響連接強度和可靠性；而膠粘連接方式，其連接強度主要取決于界面粘接強度，較難承受較大扭矩、推力或拉力載荷。

同時，也出現了部分金屬法蘭與復合材料軸一體成型的連接方式，實現了軸身長纖維連續纏繞和較好承載的目的，但施工工藝相對較為復雜。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于針對上述現有技術存在局部纖維切斷而導致的應力集中問題以及施工工藝復雜的不足，提供一種纖維纏繞復合材料軸端部連接結構及其制造方法，不僅能夠保證復合材料軸身纖維的連續性，降低由于纖維切斷而帶來的局部強度降低或應力集中；而且通過預埋件與其上纏繞的纖維層之間的形狀配合，可實現扭矩、推力和拉力的良好傳遞，具有良好的連接強度、多種載荷傳遞功能和較高的工藝可現實性。

本發明為解決上述提出的技術問題所采用的技術方案為：

一種纖維纏繞復合材料軸端部連接結構，包括復合材料軸身纏繞層，還包括變截面金屬預埋件、復合材料纏繞緊固層和端部法蘭；所述變截面金屬預埋件整體位于所述復合材料軸身纏繞層的端部內側，并與復合材料軸身纏繞層的芯軸同軸設置，所述復合材料軸身纏繞層采用長纖維連續纏繞工藝，在其芯軸和金屬預埋件表面連續地按照設計角度進行纏繞成型；所述復合材料纏繞緊固層為設置于復合材料軸身纏繞層外部的大張力纖維纏繞緊固層，其覆蓋整個變截面金屬預埋件區域，并向軸身區域延伸；所述端部法蘭設置于變截面金屬預埋件的端部；

所述變截面金屬預埋件沿軸向依次包括前段、中段和后段，所述前段靠近所述端部法蘭一側，為圓環形截面環形結構，前段端部與所述端部法蘭固定連接；所述中段為多邊形截面環形結構，中段與前段之間設置錐形過渡斜面，實現由前段圓環形截面向中段多邊形截面之間的光順過渡；所述后段靠近芯軸一側，為錐面環形結構，實現由中段多邊形截面向芯軸圓形截面之間的光順過渡。

上述方案中，所述變截面金屬預埋件的前段為等直徑或變直徑圓環形結構。

上述方案中，所述中段多邊形截面為五邊形、六邊形或八邊形。

上述方案中，所述變截面金屬預埋件前段與中段之間的錐形過渡斜面以及后段的過渡錐面的坡度根據具體結構尺寸進行設計，保證軸身纏繞纖維連續纏繞，不出現局部的纖維“架空”而導致的富脂缺陷。

上述方案中，所述復合材料纏繞緊固層采用與所述復合材料軸身纏繞層相同的材料體系，纏繞角度90°，即環向纏繞。