一种大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点

摘要

本发明公开了一种大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点，涉及复合材料管桁架结构技术领域，包括三角形连接体、管端节点A、管端节点B、管端节点C和螺栓副；三角形连接体包括杆、三种角部节点板和嵌套件；管端节点有三种，一种是包括弦杆管连接套管和连接法兰；另外两种是多了一根和两根腹杆管连接套管；杆的中段为菱形截面，两端为菱形过渡至扁平矩形；杆的外壳为高性能CFRP多层复合材料薄壁管，杆内为PMI填充材料；杆是一次成型。本发明可以实现大型三角形复合材料管桁架模块化连接，具有质量轻、强度高、刚度大、性能与工艺可设计性、一体化成形、连接简单可靠、杆件稳定、承载力大、几何容差要求低等优点。

权利要求

1.一种大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点，其特征在于，包括三角形连接体、管端节点A、管端节点B、管端节点C和螺栓副；其中，所述三角形连接体包括杆、角部节点板D、角部节点板E、角部节点板F和嵌套件；

所述管端节点A、所述管端节点B和所述管端节点C各有2个，成对设置；所述管端节点A包括弦杆管连接套管和连接法兰G；所述管端节点B包括弦杆管连接套管、连接法兰H和腹杆管连接套管；所述管端节点C包括弦杆管连接套管、连接法兰J和2个腹杆管连接套管；

所述螺栓副包括螺栓、螺母和垫圈；

所述管端节点A、所述管端节点B、所述管端节点C通过所述螺栓副与所述三角形连接体连接；

所述杆的中段为菱形截面，两端为菱形过渡至扁平矩形；所述杆的外壳为高性能CFRP多层复合材料薄壁管，杆内为PMI填充材料；所述杆是一次成型；

所述杆有3根，3根所述杆的两端分别嵌套在对应的所述角部节点板D、所述角部节点板E和所述角部节点板F内，并钻同轴孔；

所述嵌套件有3个，分别嵌套在所述角部节点板D、所述角部节点板E和所述角部节点板F内，并钻同轴孔；

所述连接法兰G采用两次成形，1/6‑1/3厚度连接法兰与所述弦杆管连接套管整体固化一次成形，余下未完成的连接法兰采用二次胶结成形；

所述连接法兰H采用两次成形，1/6～1/3厚度连接法兰与所述弦杆管连接套管、所述腹杆管连接套管整体固化一次成形，余下未完成的连接法兰采用二次胶结成形；

所述连接法兰J采用两次成形，1/6～1/3厚度连接法兰与所述弦杆管连接套管、2根所述腹杆管连接套管整体固化一次成形，余下未完成的连接法兰采用二次胶结成形；

1对所述连接法兰G、1对所述连接法兰H、1对所述连接法兰J分别与对应的所述角部节点板D、所述角部节点板E、所述角部节点板F配套钻同轴孔。

2.如权利要求1所述的大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点，其特征在于，所述螺栓副，为航空航天专用自锁防松螺栓副，采用高强轻质合金材料，须预紧连接。

3.如权利要求1所述的大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点，其特征在于，所述嵌套件采用高强轻质钛合金或镁铝合金材料。

说明书

一种大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点

技术领域

[0001] 本发明涉及复合材料管桁架结构技术领域，尤其涉及一种大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点。

背景技术

[0002] 复合材料桁架结构具有质量轻、刚度大、抗振和耐疲劳等优点，广泛应用于航空航天等现代工业装备领域。薄壁圆管(CHS)、薄壁矩形管(RHS)或方形管(SHS)是应用最普遍，
结构效率高、材料与结构工艺最成熟的复合材料管结构。三角形桁架和四边形桁架是最基
本的三维空间复合材料结构，三角形桁架杆件少、质量轻、刚度大，采用模块化体系可以扩
展实现大型复合材料结构，这是提高设计、制造、集成效率的有效途径。但是，桁架模块化连
接节点，由于几何、力学、制作与集成工艺限制，一直是复合材料结构工程领域的技术难点。

[0003] 目前，复合材料桁架结构的连接技术主要有以下三种：

[0004] 1、Zeppelin NT飞艇龙骨两个纵向铝合金桁架、两个圆管CFRP三角撑桁架梁之间的组合连接，即两个纵向三角形铝合金桁架通过一个三角形铝合金隔板，两个圆管CFRP三
角撑桁架梁端头为铝合金三脚节点，再连接三角形铝合金隔板。但这是一个结构集成连接，
没有CFRP管桁架模块化连接节点。

[0005] 2、大尺度加劲环拼接式三角形桁架连接，即圆环三角形桁架由多个节段模块顺序拼接，桁架两端为三角形连接板。该连接技术的缺陷是平面连接板尺寸大、重量大，且面外
刚度低，容易发生面外失稳，同时，桁架与节点板具体连接不明确。

[0006] 3、大型单K节点三角形桁架加劲环及集成张力施加方法连接，即单K节点三角形桁架圆环由多个标准节段拼接，通过基准三角形框连接。但该连接技术的基准三角形框结构
形式不明确，且桁架标准节段与基准三角形框的连接关系不清楚。

[0007] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点，制作简洁、结构受力和传力合理、质量轻、安装集成容易、连接简单可靠，解决现有复
合材料桁架连接多需要铝合金结构连接，构型复杂、制作困难、重量大、受力小等问题。

发明内容

[0008] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何克服现行复合材料桁架结构连接技术下几何、力学、制作与集成工艺的限制，实现大型复合材料管桁架模块
化连接的问题。

[0009] 为实现上述目的，本发明提供了一种大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点，包括三角形连接体、管端节点A、管端节点B、管端节点C和螺栓副；其中，所述三角形连接
体包括杆、角部节点板D、角部节点板E、角部节点板F和嵌套件；所述管端节点A包括弦杆管
连接套管和连接法兰G；所述管端节点B包括弦杆管连接套管、连接法兰H和腹杆管连接套
管；所述管端节点C包括弦杆管连接套管、连接法兰J和2个腹杆管连接套管；所述螺栓副包
括连接螺栓、螺母和垫圈；所述杆的中段为菱形截面，两端为菱形过渡至扁平矩形；所述杆
的外壳为高性能CFRP多层复合材料薄壁管，杆内为PMI填充材料；所述杆是一次成型。

[0010] 进一步地，所述管端节点A、所述管端节点B和所述管端节点C各有2个，成对设置。

[0011] 进一步地，所述杆有3根，3根所述杆的两端分别嵌套在对应的角部节点板D、角部节点板E和角部节点板F内，并钻同轴孔。

[0012] 进一步地，所述嵌套件有3个，分别嵌套在角部节点板D、角部节点板E和角部节点板F内，并钻同轴孔。

[0013] 进一步地，所述连接法兰G采用两次成形，1/6‑1/3厚度连接法兰与所述弦杆管连接套管整体固化一次成形，余下未完成的连接法兰采用二次胶结成形。

[0014] 进一步地，所述连接法兰H采用两次成形，1/6～1/3厚度连接法兰与所述弦杆管连接套管、所述腹杆管连接套管整体固化一次成形，余下未完成的连接法兰采用二次胶结成
形。

[0015] 进一步地，所述连接法兰J采用两次成形，1/6～1/3厚度连接法兰与所述弦杆管连接套管、2根所述腹杆管连接套管整体固化一次成形，余下未完成的连接法兰采用二次胶结
成形。

[0016] 进一步地，1对所述连接法兰G、1对所述连接法兰H、1对所述连接法兰J分别于对应的角部节点板D、角部节点板E、角部节点板F配套钻同轴孔。

[0017] 进一步地，所述螺栓副，为航空航天专用自锁防松螺栓副，采用高强轻质合金材料，须预紧连接。

[0018] 进一步地，所述嵌套件采用高强轻质钛合金或美铝合金材料。

[0019] 进一步地，管端节点A2、管端节点B3和管端节点C4采用高性能碳纤维复合材料多层结构。

[0020] 与现有技术相比，通过本发明的实施，达到了以下明显的技术效果：

[0021] 1、本发明的节点主体采用碳纤维复合材料，替代铝合金材料，质量轻、强度高、结构受力和传力合理、杆件稳定、承载力大，实现了大型复合材料管桁架模块化连接。

[0022] 2、本发明优化了大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点的结构形式及布置方式，不仅提高了大型复合材料管桁架模块化连接的技术，还具有结构简单，安装集成容
易，性能与工艺具有可设计性的优点。

[0023] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步地说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

[0024] 图1是本发明的一个较佳实施例的大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点三维图；

[0025] 图2是本发明的管端节点A的示意图；

[0026] 图3是本发明的管端节点B的示意图；

[0027] 图4是本发明的管端节点C的示意图；

[0028] 图5是本发明的三角形连接体三维视图；

[0029] 图6是本发明的三角形连接体的杆的中段的剖面图；

[0030] 其中：1‑三角形连接体，101‑杆，10101‑杆外壳，10102‑PMI填充材料，102‑角部节点板D，103‑角部节点板E，104‑角部节点板F，105‑嵌套件，2‑管端节点A，3‑管端节点B，4‑管
端节点C，201‑弦杆管连接套管，202‑连接法兰G，301‑弦杆管连接套管，302‑连接法兰H，
303‑腹杆管连接套管，401‑弦杆管连接套管，402‑连接法兰J，403‑腹杆管连接套管，404‑腹
杆管连接套管，5‑连接螺栓副，501‑连接螺栓，502‑螺母，503‑垫圈。

具体实施方式

[0031] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限
于文中提到的实施例。

[0032] 在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定
每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。为保
证所附图像的清晰和简洁，部分装置未在附图中画出，但并不影响相关领域普通技术人员
对本发明的理解。

[0033] 如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点，包括三角形连接体1、管端节点A2、管端节点B3、管端节点C4和连接螺栓副5。其中，三
角形连接体1是大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点主体，包括杆101、角部节点板
D102、角部节点板E103、角部节点板F104和嵌套件105。管端节点A2包括弦杆管连接套管201
和连接法兰G202；管端节点B3包括弦杆管连接套管301、连接法兰H302和腹杆管连接套管
303；管端节点C4包括弦杆管连接套管401、连接法兰J402、腹杆管连接套管403和腹杆管连
接套管404。螺栓副5包括连接螺栓501、螺母502和垫圈503。

[0034] 杆101的中段为菱形截面如图6，两端为菱形过渡至扁平矩形；杆101的杆外壳10101为高性能CFRP多层复合材料薄壁管，杆内为PMI填充材料10102，杆101是一次成型。杆
101有3根，3根杆101的两端分别嵌套在对应的角部节点板D102、角部节点板E103和角部节
点板F104内，并钻同轴孔。

[0035] 管端节点A2、管端节点B3和管端节点C4各有2个，成对设置。可适应不同三角形桁架几何构型，连接套管与弦杆管和腹杆管为外套入胶接连接。

[0036] 嵌套件105有3个，分别嵌套在角部节点板D102、角部节点板E103和角部节点板F104内，并钻同轴孔。

[0037] 连接法兰G202采用两次成形，1/6‑1/3厚度连接法兰与所述弦杆管连接套管201整体固化一次成形，余下未完成的连接法兰采用二次胶结成形。连接法兰H302采用两次成形，
1/6～1/3厚度连接法兰与弦杆管连接套管301、腹杆管连接套管303整体固化一次成形，余
下未完成的连接法兰采用二次胶结成形。连接法兰J402采用两次成形，1/6～1/3厚度连接
法兰与弦杆管连接套管401、腹杆管连接套管403、腹杆管连接套管404整体固化一次成形，
余下未完成的连接法兰采用二次胶结成形。

[0038] 1对连接法兰G202、1对连接法兰H302、1对连接法兰J402分别与所对应的角部节点板D102、角部节点板E103、角部节点板F104配套钻同轴孔。螺栓副的螺栓穿过同轴孔，螺栓
副将三角形连接体1的杆101的两端分别与对应的管端节点A2、管端节点B3、管端节点C4和
角部节点板D102、角部节点板E103、角部节点板F104连接固定；将3个嵌套件105分别与对应
的管端节点A2、管端节点B3、管端节点C4和角部节点板D102、角部节点板E103、角部节点板
F104连接固定。

[0039] 螺栓副5为航空航天专用自锁防松螺栓副，采用高强轻质合金材料，须预紧连接。嵌套件105采用高强轻质钛合金或美铝合金材料。管端节点A2、管端节点B3和管端节点C4采
用高性能碳纤维复合材料多层结构。

[0040] 实施例：

[0041] 管端节点A2：弦杆管连接套管201为 T700S、铺层[±45°/0°/0°/0°]3，连接法兰G202、连接法兰H 302和连接法兰J402厚都为2.0，连接螺栓副5为M5，角部节点板
D102、角部节点板E103和角部节点板F104厚都为3.0、T700S、铺层[±45°/0°/0°/0°]6。0.5
厚度(T700S、铺层[±45°/0°/0°/0°])连接法兰与弦杆管连接套管整体固化一次成形，1.5
厚度(15层斜纹布)连接法兰采用二次胶结成形。

[0042] 管端节点B3和管端节点C4：

[0043] 弦杆管连接套管301和弦杆管连接套管401为 T700S、铺层[±45°/0°/0°/0°]3，腹杆管连接套管303、腹杆管连接套管403和腹杆管连接套管404都为
T700S、铺层[±45°/0°/0°/0°/0°]2，连接法兰20102为2.0，连接螺栓副3为
M5，角部节点板10201为3.0、T700S、铺层[±45°/0°/0°/0°]6。0.5厚度(T700S、铺层[±45°/
0°/0°/0°])连接法兰与所述弦杆管连接套管整体固化一次成形，1.5厚度(15层斜纹布)连
接法兰采用二次胶结成形。

[0044] 三角形连接体：三角形连接体定位边长650，菱形段长518、过渡段长30，端部矩形30×3～5，角部节点板3～5厚。

[0045] 杆：中段菱形截面，两个锐角用长3的边切掉、该两条边的距离是30、两钝角的距离为20，钝角变成半径为5的圆弧、杆外壳壁厚0.8，预浸料T800、铺层结构[+45°/0°×10/‑
45°]。

[0046] 本发明的结构尺寸(基准三角形连接体边长、菱形杆长、过渡段长，菱形杆截面尺寸，角部节点板厚、定位孔直径，嵌套件直径，弦杆管连接套管、腹杆管连接套管直径和壁
厚，连接法兰直径、厚度，连接螺栓副直径、长度)可针对具体应用确定，工艺设计可针对具
体应用确定。复合材料薄壁管及其连接采用碳纤维型号、树脂型号、铺层设计与成形工艺设
计可针对具体应用确定。

[0047] 本发明装置有管端节点A2、管端节点B3、管端节点C4三种形式的管端节点，既可以三角形连接体1一个角用一种也可以都用同一种或两种，可根据需要决定。

[0048] 本发明优化了大型三角形复合材料管桁架模块化连接节点的结构形式及布置方式，不仅提高了大型复合材料管桁架模块化连接的技术，还具有结构简单，安装集成容易，
性能与工艺具有可设计性的优点。

[0049] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员
依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术
方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。