CN112943788A - 一种碳纤维复合材料球头结点及其连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料球头结点及其连接方法。该球头结点包括球头、T型螺杆和凹面螺母，三者均采用碳纤维材料，球头为空心球体结构，球头上设置有若干个长形孔，长形孔的长度大于宽度，一个长形孔安装一个T型螺杆和一个凹面螺母，用于连接一根管件。连接方法是：先让T型螺杆和凹面螺母轻轻夹住球头，然后调整T型螺杆轴线的方向到设计值，最后拧紧凹面螺母，在螺纹啮合处及凹面螺母与球头接触处涂环氧树脂胶并固化。本发明不需借助其他结构进行支撑和辅助整体桁架的固化，可极大简化施工条件，减少施工周期，对于大型桁架结构的现场施工有重要意义。

Description

一种碳纤维复合材料球头结点及其连接方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料球头结点的结构、成型方法与连接方法。

背景技术

相对传统钢材，碳纤维复合材料具有比刚度和比强度高的优点。将碳纤维复合材料应用于大型天文望远镜中，有助于降低望远镜的重量与驱动功耗，提高望远镜的自振频率和指向速度。在大型天文望远镜的大型桁架结构中，碳纤维复合材料结点与管件的连接技术是桁架成型的关键技术。大型天文望远镜的大型桁架的结点具有以下特征：1)单个结点连接的管件数量大于3根，典型的管件数量为8根到10根，2)不同结点连接的碳纤维复合材料管件数量可能不同，3)不同结点的管件连接位置与管件之间的角度几乎都不相同。

碳纤维复合材料管件与结点的常用连接方法有胶接法、钻孔连接法、预埋金属法、成型螺纹连接法。胶接法采用胶水将待连接的碳纤维复合材料管件与结点粘接并固化，胶水的强度一般远低于碳纤维复合材料的强度，胶接处容易成为整体碳纤维复合材料结构的薄弱环节，胶接固化时间长，整体结构成型速度慢。钻孔连接法是在待连接的碳纤维复合材料结点上用机械加工方式开通孔或螺孔，从开孔处用紧固件将碳纤维复合材料管件与结点连接，钻孔连接法会切断部分碳纤维，开孔处容易成为整体碳纤维复合材料结构的薄弱环节。预埋金属法是在碳纤维复合材料结点与管件成型时预埋金属件，在金属件上设置螺纹、法兰等连接结构，通过这些连接结构将碳纤维复合材料结点与管件连接，预埋金属法由于需要预埋金属结构，一方面会增加整体结构的重量，降低结构的比强度与比刚度，另一方面由于金属与碳纤维复合材料热膨胀系数不同导致整体结构温度适应范围有限。所谓成型螺纹连接法指在碳纤维复合材料结点成型时直接制造出螺纹并依靠该螺纹进行连接的方法，成型螺纹的加工质量依赖于螺纹结构与成型工艺，成型螺纹加工好后轴线角度不可调整，不同结点可能需要不同模具成型，且目前成型螺纹的加工难度较大，螺纹质量不高，影响了碳纤维复合材料结点结构的成品率。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种碳纤维复合材料球头结点的结构、成型方法与连接方法。本发明提出的方法能充分发挥碳纤维复合材料的性能特点，加快碳纤维复合材料桁架的整体成型速度，确保整体结构的比强度与比刚度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种碳纤维复合材料球头结点，包括球头、T型螺杆和凹面螺母，所述球头、T型螺杆和凹面螺母均采用碳纤维材料，所述球头为空心球体结构，所述球头上设置有若干个长形孔，长形孔的长度大于宽度，长形孔的数量与球头预连接的管件数量相同，长形孔的位置由球头预连接的管件位置和角度决定，一个长形孔安装一个T型螺杆和一个凹面螺母，用于连接一根管件。

进一步的，所述球头分为两层，即内层球头和外层球头，外层球头为整球结构，采用连续碳纤维材料在内层球头外紧紧缠绕而成型，所述长形孔穿透球头的内外两层。

进一步的，所述内层球头由两个半球结构组成。

进一步的，所述内层球头采用内模与外模将碳纤维复合材料挤压成型：在长条孔对应的内模位置处安装对应的长条孔塞，然后在内模上对碳纤维复合材料铺层，完成铺层后将外模向内模挤压，按照碳纤维复合材料标准工艺固化成型。

进一步的，所述T型螺杆包括上、中、下三段，即上段结构、中段结构、下段结构，碳纤维在所述T型螺杆的上、中、下三段是连续的。

进一步的，所述上段结构的下表面为球面，所述球面的直径与球头的内径相同；所述中段结构的外部为圆柱形，所述中段结构穿设于长形孔中，且中段结构与长形孔的尺寸允许T型螺杆在长形孔中的预定轴线角度范围偏转；所述下段结构设有用于安装凹面螺母和连接管件的外螺纹。

进一步的，所述凹面螺母的一端面为凹球面，所述凹球面的直径等于球头的外径。

一种碳纤维复合材料球头结点的连接方法，包括如下步骤：

1)卡位

将T型螺杆的上段结构***球头的长形孔至该上段完全进入内层球头内部空间，将T型螺杆绕其轴线旋转，使T型螺杆的上段结构卡在球头的长形孔中；

2)轻夹

保持T型螺杆与球头的相对位置关系，将凹面螺母的凹面对着球头旋入T型螺杆，旋转凹面螺母使T型螺杆和凹面螺母轻轻夹住球头；

3)精调

调整T型螺杆轴线的方向到设计值，调整过程中维持T型螺杆的上段结构卡在球头的长形孔中，调整好T型螺杆轴线方向后在T型螺杆与凹面螺母啮合处及凹面螺母与球头接触处涂环氧树脂胶；

4)固定

拧紧凹面螺母，并使环氧树脂胶固化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的碳纤维复合材料球头结点的碳纤维连续、不切断，从而能充分发挥碳纤维的力学性能。

本发明的碳纤维复合材料球头结点使用了相同的碳纤维材料，结构强度一致性好，材料热膨胀系数一致性好。

本发明的碳纤维复合材料球头结点通过球头长形孔和T型螺杆圆柱段的尺寸配置，可极大地减少球头模具的种类和数量。

本发明的碳纤维复合材料球头结点的连接方法，不需要借助其他结构进行支撑和辅助整体桁架的固化，可以极大简化施工条件，减少施工周期，特别是对于几十米级的大型桁架结构的现场施工有重要意义。

附图说明

图1为本发明的实施例的球头、T型螺杆和凹面螺母示意图。

图2为本发明的实施例的球头的内层球头的成型方法示意图。

图中标记：1、球头；2、T型螺杆；3、凹面螺母；4、外模；5、长条孔塞；6、内模；7、内层球头；8、外层球头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供一种如图1所示的碳纤维复合材料球头结点。该碳纤维复合材料球头结点包括球头1、T型螺杆2和凹面螺母3。球头1、T型螺杆2和凹面螺母3均采用碳纤维材料，球头1为空心球体结构，球头1上设置有若干个长形孔，长形孔的长度大于宽度，长边与宽边最好倒圆角，长形孔的数量与球头预连接的管件数量相同，本实施例中长形孔的数量具体为5个，长形孔的位置由球头预连接的管件位置和角度决定。一个长形孔安装一个T型螺杆2和一个凹面螺母3，用于连接一根管件。凹面螺母3的一端面为凹面。本实施的碳纤维复合材料球头结点的碳纤维连续、不切断，从而能充分发挥碳纤维的力学性能；该碳纤维复合材料球头结点使用了相同的碳纤维材料，结构强度一致性好，材料热膨胀系数一致性好；该碳纤维复合材料球头结点通过球头长形孔和T型螺杆圆柱段的尺寸配置，可极大地减少球头模具的种类和数量。

本实施例中，所述球头1分为两层，即内层球头7和外层球头8，外层球头8为整球结构，采用连续碳纤维材料在内层球头7外紧紧缠绕而成型，外层球头的内径等于内层球头的外径，外层球头外表面精加工，长形孔穿透球头1的内外两层。

如图2所示，本实施例中，内层球头1在成型时可分开成两个半球结构，该内层球头的两个半球的内径和外径相同，两个半球预留长形孔，固化后磨削内表面，内层球头7内表面精加工。外层球头8外表面精加工。该内层球头7采用内模6与外模4将碳纤维复合材料挤压成型：在长条孔对应的内模6位置处安装对应的长条孔塞5，然后在内模6上对碳纤维复合材料铺层，完成铺层后将外模4向内模6挤压，按照碳纤维复合材料标准工艺固化成型。

本实施例中，所述T型螺杆2包括上、中、下三段，即上段结构、中段结构、下段结构，碳纤维在T型螺杆的上、中、下三段是连续的。该T型螺杆优选采用模具一体成型制成，为实心结构。具体的，上段结构的下表面为球面，该球面精加工，球面的直径与内层球头的内径相同，上段结构的横截面为长条形，长边与宽边最好倒圆角，该长条形的长度小于球头长形孔的长度，大于球头长形孔的宽度，该长条形的宽度小于球头长形孔的宽度，该长条形能进入球头长形孔；中段结构的外部为圆柱形，该圆柱的直径小于球头长形孔的宽度，该圆柱直径首先要满足结构强度和刚度要求，此外该圆柱的直径与球头长形孔的宽度之间的关系，影响到该圆柱在球头长形孔中调整的范围，从而影响到有特定长形孔位置的球头的数量，进而影响到球头模具的种类和数量，且中段结构与长形孔的尺寸允许T型螺杆2在长形孔中的预定轴线角度范围偏转，例如，本实施例中该圆柱与长形孔的尺寸允许T型螺杆在球头长形孔中的轴线偏转角度范围为±1.1°；下段结构设有外螺纹，外螺纹用于安装凹面螺母和连接管件。

本实施例中，凹面螺母3的凹面优选为凹球面，该凹球面精加工，该凹球面的直径等于外层球头的外径。凹面螺母3的外径至少大于球头长形孔的宽度，优选螺母的外径大于球头长形孔的长度，该螺母的螺纹与T型螺杆的螺纹啮合。该螺母优选采用模具一体成型制成。

球头长形孔和T型螺杆上段的截面形状可以是椭圆形，腰型，长方形等形状，在本实施例中，该截面形状是长方形加四角倒圆角。

本实施例进一步提供一种如图2所示的碳纤维复合材料球头结点的连接方法。该连接方法包括如下4个步骤：

1)卡位。将T型螺杆的上段***球头的长形孔至该上段完全进入内层球头内部空间，将T型螺杆绕其轴线旋转90°，让T型螺杆的上段结构卡在球头的长形孔中。

2)轻夹。保持T型螺杆与球头的相对位置关系，将凹面螺母旋入T型螺杆，凹面螺母的方向是凹球面对着球头，旋转凹面螺母让T型螺杆和凹面螺母轻轻夹住球头。

3)精调。调整T型螺杆轴线的方向到设计值，调整过程中维持T型螺杆的上段结构卡在球头的长形孔中，调整好T型螺杆轴线方向后在T型螺杆与凹面螺母啮合处及凹面螺母与球头接触处涂环氧树脂胶。

4)固定。拧紧凹面螺母，让环氧树脂胶固化。

综上所述，本发明一种碳纤维复合材料球头结点包括球头、T型螺杆和凹面螺母，该球头设置有若干个长形孔，一个长形孔安装一个T型螺杆和一个凹面螺母，用于连接一根管件。该球头结点的连接方法是：先让T型螺杆和凹面螺母轻轻夹住球头，然后调整T型螺杆轴线的方向到设计值，最后拧紧凹面螺母，在螺纹啮合处及凹面螺母与球头接触处涂环氧树脂胶并固化。本发明为国家自然科学基金青年基金项目《各向异性和蠕变对碳纤维复合材料在大型望远镜中应用影响的研究》(批准号：11703057)的研究成果。本发明的碳纤维复合材料球头结点全部采用碳纤维复合材料制成，结构强度高、重量轻。本发明的碳纤维球头结点的连接方法，可以极大简化施工条件，减少施工周期，特别是对于几十米级的大型桁架结构的现场施工有重要意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种碳纤维复合材料球头结点，其特征在于，包括球头、T型螺杆和凹面螺母，所述球头、T型螺杆和凹面螺母均采用碳纤维材料，所述球头为空心球体结构，所述球头上设置有若干个长形孔，长形孔的长度大于宽度，长形孔的数量与球头预连接的管件数量相同，长形孔的位置由球头预连接的管件位置和角度决定，一个长形孔安装一个T型螺杆和一个凹面螺母，用于连接一根管件。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料球头结点，其特征在于，所述球头分为两层，即内层球头和外层球头，外层球头为整球结构，采用连续碳纤维材料在内层球头外紧紧缠绕而成型，所述长形孔穿透球头的内外两层。

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料球头结点，其特征在于，所述内层球头由两个半球结构组成。

4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料球头结点，其特征在于，所述内层球头采用内模与外模将碳纤维复合材料挤压成型：在长条孔对应的内模位置处安装对应的长条孔塞，然后在内模上对碳纤维复合材料铺层，完成铺层后将外模向内模挤压，按照碳纤维复合材料标准工艺固化成型。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料球头结点，其特征在于，所述T型螺杆包括上、中、下三段，即上段结构、中段结构、下段结构，碳纤维在所述T型螺杆的上、中、下三段是连续的。

6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料球头结点，其特征在于，所述上段结构的下表面为球面，所述球面的直径与球头的内径相同；所述中段结构的外部为圆柱形，所述中段结构穿设于长形孔中，且中段结构与长形孔的尺寸允许T型螺杆在长形孔中的预定轴线角度范围偏转；所述下段结构设有用于安装凹面螺母和连接管件的外螺纹。

7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料球头结点，其特征在于，所述凹面螺母的一端面为凹球面，所述凹球面的直径等于球头的外径。

8.一种碳纤维复合材料球头结点的连接方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)卡位

将T型螺杆的上段结构***球头的长形孔至该上段完全进入内层球头内部空间，将T型螺杆绕其轴线旋转，使T型螺杆的上段结构卡在球头的长形孔中；

2)轻夹

保持T型螺杆与球头的相对位置关系，将凹面螺母的凹面对着球头旋入T型螺杆，旋转凹面螺母使T型螺杆和凹面螺母轻轻夹住球头；

3)精调

调整T型螺杆轴线的方向到设计值，调整过程中维持T型螺杆的上段结构卡在球头的长形孔中，调整好T型螺杆轴线方向后在T型螺杆与凹面螺母啮合处及凹面螺母与球头接触处涂环氧树脂胶；

4)固定

拧紧凹面螺母，并使环氧树脂胶固化。

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