[实用新型]一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构

说明书

技术领域

本实用新型主要属于结构强度领域，具体涉及一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构。

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几部分。其中，吊挂盒段为梁式框架结构，用于连接发动机和机翼，如图1所示。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。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，复合材料中空杆+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(图2)，由于复合材料中空杆的可达性较差，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。

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。

波音公司于1984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。Rolls-Royce公司于2014年提出了一种复合材料涡轮轴与金属接头的连接方案。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。

对于波音公司专利方案，其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。对于Rolls-Royce公司专利方案，其主要为传扭轴设计，传递拉压载荷能力不足。

需要解决的技术问题主要包括以下2点：(1)简洁、有效地将复材中空杆的拉压载荷传递到金属接头；(2)考虑制造、材料老化和疲劳等方面的因素，防止复材中空杆与金属接头连接结构产生间隙。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构。将金属接头设计成中间粗、两端细的纺锤形，复合材料中空杆在纺锤形金属接头上固化成型，达到复材中空杆和金属接头连接的目的；金属接头分为主金属接头和副金属接头，两者之间通过自锁螺纹连接。复合材料中空杆固化后通过自锁螺纹反向拧紧(即互相分离的趋势)，使复材中空杆连接区域内部产生预紧力，防止连接结构松动并改善其疲劳性能。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，所述连接结构包括复材中空杆1、主金属接头2和副金属接头3；主金属接头2和副金属接头3均为空心结构，通过自锁螺纹4连接，构成中间粗、两端细的纺锤构型；复材中空杆1可通过将复合材料铺覆在主金属接头2和副金属接头3构成的纺锤型结构上固化形成；自锁螺纹(4)连接主金属接头(2)和副金属接头(3)同时使复材中空杆连接区域内部产生预紧力；纺锤构型由粗向细变化部分的截面为梯形，两梯形的夹角由连接结构截面需要承载的载荷大小来设置。

进一步地，所述主金属接头可分划为五部分，

所述五部分分别为第一圆柱体、第一圆锥体、第二圆柱体、第二圆锥体和第三圆柱体；第二圆柱体的两端分别与第一圆锥体直径较大一端和第二圆锥体直径较大一端相连，

第一圆锥体直径较小一端与第一圆柱体相连，第二圆锥体直径较小一端与第三圆柱体相连；

第一圆锥体直径的最小直径与第一圆柱体的直径相同、第二圆锥体直径的最小直径与第三圆柱体的直径相同，第二圆锥体直径的最大直径与第二圆柱体的直径相同，第一圆锥体直径的最大直径大于第二圆柱体的直径；所述第二圆柱体和第三圆柱体的外表面设置有螺纹；

所述直径包括内径和外径。