复合材料壳板和钢构架的连接结构及其连接方法

摘要

本发明公开了一种复合材料壳板和钢构架的连接结构，包括钢构架、连接板条、螺母、螺栓、复合材料芯层、复合材料上面板、复合材料下面板和固定板，钢构架与连接板条固定连接，连接板条的底面上固定有螺母，连接板顶面上安装有固定板，固定板为铺设的多层玻璃纤维布通过灌注树脂硬化成型，螺栓穿过固定板后旋入螺母，复合材料上面板和复合材料下面板的端部均与固定板连接，固定板、复合材料上面板和复合材料下面板的玻璃纤维布在螺栓安装后通过一次灌注树脂后硬化形成整体。本连接结构可实现复合材料壳板与钢构架的牢固连接，保证结构在长期使用环境中具有足够强度和刚度，有效抑制了结构振动。

权利要求

1.一种复合材料壳板和钢构架的连接结构，其特征在于，包括钢构架、连接板条、螺母、螺栓、复合材料芯层、复合材料上面板、复合材料下面板以及固定板，其中，所述钢构架与连接板条固定连接，连接板条的底面上固定有螺母，连接板顶面上安装有固定板，固定板为铺设的多层玻璃纤维布通过灌注树脂硬化成型，螺栓穿过固定板后旋入螺母，复合材料芯层的上表面和下表面分别为复合材料上面板和复合材料下面板，复合材料上面板和复合材料下面板的端部均与固定板连接，固定板、复合材料上面板和复合材料下面板的玻璃纤维布在螺栓安装后通过一次灌注树脂后硬化形成整体；所述螺栓的头部上还设有保护层，保护层为多层玻璃纤维布灌注树脂后硬化形成。

2.如权利要求1所述的复合材料壳板和钢构架的连接结构，其特征在于，所述保护层与固定板、复合材料上面板和复合材料下面板均为一体成型。

3.如权利要求2所述的复合材料壳板和钢构架的连接结构，其特征在于，所述保护层厚度为2mm～3mm。

4.如权利要求2所述的复合材料壳板和钢构架的连接结构，其特征在于，所述保护层的顶端面与复合材料上面板的顶端面平齐设置。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的复合材料壳板和钢构架的连接结构，其特征在于，所述复合材料芯层靠近钢构架的一侧厚度逐渐变薄，复合材料下面板与固定板的连接通过玻璃纤维布的层数不同来过渡。

6.一种复合材料壳板和钢构架的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

在钢构架上焊接连接板条，将连接板条的底端面上固定螺母，并在连接板条上开设螺栓孔；

在模具上铺设玻璃纤维布以成型复合材料下面板，在成型复合材料下面板的玻璃纤维布上方放置预制的复合材料芯层，在连接板条上方铺设多层玻璃纤维布以成型固定板，在复合材料芯层上方铺设玻璃纤维布以成型复合材料上面板；

将连接板条上方的玻璃纤维布钻孔后，将螺栓穿过并旋入连接板条下方的螺母，将螺栓与螺母进行点焊；

将固定板、复合材料上面板和复合材料下面板的玻璃纤维布真空灌注树脂后硬化形成整体。

7.如权利要求6所述的复合材料壳板和钢构架的连接方法，其特征在于，所述将连接板条上方的玻璃纤维布钻孔后，将螺栓穿过并旋入连接板条下方的螺母的步骤之后还包括：在螺栓的上方继续铺设玻璃纤维布以成型保护层。

8.如权利要求7所述的复合材料壳板和钢构架的连接方法，其特征在于，所述保护层与固定板、复合材料上面板和复合材料下面板均为一体成型。

9.如权利要求7所述的复合材料壳板和钢构架的连接方法，其特征在于，所述保护层厚度为2mm～3mm。

说明书

复合材料壳板和钢构架的连接结构及其连接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及连接结构技术领域，尤其涉及一种复合材料壳板和钢构架的连接结构及其连接方法。

背景技术

[0002] 现阶段潜艇上层建筑采用的复合材料大多数为三明治夹芯结构，面层一般为乙烯基树脂玻璃纤维增强材料，芯材一般为反声或吸声等功能芯材。传统复合材料壳板与钢构
架的连接形式为，将复合材料壳板成型后，配钻复合材料壳板螺孔，并拧紧螺栓，使壳板与钢构架边界连接固定。

[0003] 此种连接结构在长时间的振动环境中，容易产生螺栓松动的现象，从而导致额外的振动噪声。另一方面，由于钢构架及复合材料壳板成型后存在残余变形和加工误差，其连接面不完全贴合，从而导致复合材料壳板安装困难。同时，螺栓与复合材料壳板之间存在间隙，形成海水浸泡环境，容易造成复合材料壳板与钢构架连接部位的腐蚀。

发明内容

[0004] 本发明的主要目的在于提供一种复合材料壳板和钢构架的连接结构及其连接方法，旨在实现复合材料壳板与钢构架的牢固连接，保证结构在长期使用环境中具有足够强
度和刚度，有效抑制结构振动。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供一种复合材料壳板和钢构架的连接结构，包括钢构架、连接板条、螺母、螺栓、复合材料芯层、复合材料上面板、复合材料下面板以及固定板，其中，

[0006] 所述钢构架与连接板条固定连接，连接板条的底面上固定有螺母，连接板顶面上安装有固定板，固定板为铺设的多层玻璃纤维布通过灌注树脂硬化成型，螺栓穿过固定板
后旋入螺母，复合材料芯层的上表面和下表面分别为复合材料上面板和复合材料下面板，
复合材料上面板和复合材料下面板的端部均与固定板连接，固定板、复合材料上面板和复
合材料下面板的玻璃纤维布在螺栓安装后通过一次灌注树脂后硬化形成整体。

[0007] 优选地，所述螺栓的头部上还设有保护层，保护层为多层玻璃纤维布灌注树脂后硬化形成。

[0008] 优选地，所述保护层与固定板、复合材料上面板和复合材料下面板均为一体成型。

[0009] 优选地，所述保护层厚度为2mm 3mm。~

[0010] 优选地，所述保护层的顶端面与复合材料上面板的顶端面平齐设置。

[0011] 优选地，所述复合材料芯层靠近钢构架的一侧厚度逐渐变薄，复合材料下面板与固定板的连接通过玻璃纤维布的层数不同来过渡。

[0012] 本发明进一步提出一种复合材料壳板和钢构架的连接方法，包括以下步骤：

[0013] 在钢构架上焊接连接板条，将连接板条的底端面上固定螺母，并在连接板条上开设螺栓孔；

[0014] 在模具上铺设玻璃纤维布以成型复合材料下面板，在成型复合材料下面板的玻璃纤维布上方放置预制的复合材料芯层，在连接板条上方铺设多层玻璃纤维布以成型固定
板，在复合材料芯层上方铺设玻璃纤维布以成型复合材料上面板；

[0015] 将连接板条上方的玻璃纤维布钻孔后，将螺栓穿过并旋入连接板条下方的螺母，将螺栓与螺母进行点焊；

[0016] 将固定板、复合材料上面板和复合材料下面板的玻璃纤维布真空灌注树脂后硬化形成整体。

[0017] 优选地，所述将连接板条上方的玻璃纤维布钻孔后，将螺栓穿过并旋入连接板条下方的螺母的步骤之后还包括：

[0018] 在螺栓的上方继续铺设玻璃纤维布以成型保护层。

[0019] 优选地，所述保护层与固定板、复合材料上面板和复合材料下面板均为一体成型。

[0020] 优选地，所述保护层厚度为2mm 3mm。~

[0021] 本发明提出的复合材料壳板和钢构架的连接结构，具有以下有益效果：

[0022] 1、与传统复合材料壳板与钢构架之间采用可拆式连接不同，本连接结构通过预埋螺栓，使螺栓被树脂完全覆盖，此种连接结构能够实现复合材料壳板与钢构架的牢固连接，保证结构在长期使用环境中具有足够强度和刚度，有效抑制结构振动；

[0023] 2、传统的可拆式连接需待复合材料壳板成型完成后，进行钻孔安装，由于上层建筑结构通常带有复杂线型，容易产生加工误差和残余变形，导致接触面不贴合，经常需要使用蛮力强行拧螺栓安装，安装较为困难。本连接结构，在复合材料壳板成型之前就钻孔安装了螺栓，制造顺序的改变规避了安装困难的工序。实践表明，此种连接结构能够解决传统方式安装困难的问题，改善制造难度，保证施工质量；

[0024] 3、传统的可拆式连接结构中，螺栓和螺母暴露在海水中，同时，螺栓与复合材料壳板之间存在间隙，形成海水浸泡环境，容易造成复合材料壳板与钢构架连接部位的腐蚀。本连接结构在螺栓安装完成后，还需继续敷设复合材料纤维覆盖螺栓，然后灌注树脂一体成型，使螺栓完全预埋在复合材料壳板中，并且树脂充满螺栓与螺母，以及螺栓与复材壳板之间的间隙，此种连接结构隔绝了海水与螺栓的接触，能有效提高防腐性能。

附图说明

[0025] 图1为本发明复合材料壳板和钢构架的连接结构的平面结构示意图；

[0026] 图2为本发明复合材料壳板和钢构架的连接结构的横剖面结构示意图；

[0027] 图3为图1所示A‑A方向剖视结构示意图；

[0028] 图4为图1所示B‑B方向剖视结构示意图；

[0029] 图5为本发明复合材料壳板和钢构架的连接结构的局部放大结构示意图。

[0030] 图中，1‑钢构架，2‑连接板条，3‑螺母，4‑螺栓，5‑复合材料芯层，6‑复合材料上面板，7‑复合材料下面板，8‑固定板，9‑加强筋，10‑保护层，11‑复合材料壳板，12‑潜艇主船体，13‑树脂，14‑焊角。

[0031] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

[0032] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0033] 需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限
制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0034] 本发明提出一种复合材料壳板和钢构架的连接结构。

[0035] 参照图1至图5，本优选实施例中，一种复合材料壳板和钢构架的连接结构，包括钢构架1、连接板条2、螺母3、螺栓4、复合材料芯层5（复合材料芯层5为反声或吸声等功能芯材）、复合材料上面板6、复合材料下面板7以及固定板8，其中，

[0036] 钢构架1与连接板条2固定连接（可通过焊接固定），连接板条2的底面上固定有螺母3，连接板顶面上安装有固定板8，固定板8为铺设的多层玻璃纤维布通过灌注树脂硬化成型，螺栓4穿过固定板8后旋入螺母3，复合材料芯层5的上表面和下表面分别为复合材料上
面板6和复合材料下面板7，复合材料上面板6和复合材料下面板7的端部均与固定板8连接，固定板8、复合材料上面板6和复合材料下面板7的玻璃纤维布（本实施例为乙烯基树脂玻璃纤维布）在螺栓4安装后通过一次灌注树脂后硬化形成整体。

[0037] 连接板条2外表面加工好后的线型与理论线型公差为‑2～0mm，即线型只能往内凹，不允许外凸。连接板条2之间的拼装采用单面坡口对接焊，需保证对接焊缝的外表面凸出部分要磨平。钢构架1通常由腹板和面板组成，应具有足够的强度和刚度，通过连接板条2支撑复合材料壳板11（复合材料壳板11包括复合材料芯层5、复合材料上面板6以及复合材
料下面板7，复合材料壳板11上设置有多个加强筋9）。连接板条2的厚度根据有限元建模强度计算得到，并经强度试验验证。边缘层合板和连接板条2上每间隔一定的距离设置一个螺孔，并通过螺栓4和螺母3，保证连接结构牢固。

[0038] 螺栓4为不锈钢材料，采用沉头设计，头部设置扳手孔，端部设置螺纹，其长度根据连接结构设计厚度确定，保证螺栓4端部突出螺母3端部5mm以上即可。螺母3为不锈钢材料，与螺栓4配合使用。

[0039] 进一步地，螺栓4的头部上还设有保护层10，保护层10为多层玻璃纤维布灌注树脂后硬化形成。进一步地，保护层10与固定板8、复合材料上面板6和复合材料下面板7均为一体成型，从而进一步提高了本连接结构的结构强度。

[0040] 保护层10厚度为2mm 3mm（本实施例图中以2mm为例进行说明）。保护层10的顶端面~与复合材料上面板6的顶端面平齐设置。

[0041] 复合材料芯层5靠近钢构架1的一侧厚度逐渐变薄，复合材料下面板7与固定板8的连接通过玻璃纤维布的层数不同来过渡。

[0042] 复合材料壳板11连接边界从复合材料夹芯结构逐渐过渡为仅包含复合材料面层的层合板结构，边界材料过渡时，尽量保持纤维的连续性，以保证连接边界的强度。连接边界上每隔一定的距离设置一个螺孔（具体间距由载荷确定），以保证复合材料壳板11与钢构架1牢固连接。由于相同厚度的边缘层合板强度远大于复合材料夹芯壳板，也可适当减薄连接边界的层合板厚度，以减轻结构重量。

[0043] 在钢构架1制造时完成螺孔开孔，并将螺母3焊接在钢构架1的连接板条2背面，螺母3沿壳板法向并对准开孔，完工后螺母3与连接板条2应贴合无翘曲，螺栓4可自由旋入。螺栓4在复合材料纤维铺层完成之前，配钻螺孔，安装拧紧并将螺栓4与螺母3点焊，保证连接结构的牢固安装，然后继续铺设一定厚度的纤维布，最后连接结构与复合材料壳板11一起，整体灌注树脂，树脂充满连接区域所有间隙，形成牢固可靠的连接结构。

[0044] 本复合材料壳板和钢构架的连接结构其制作方法如下。

[0045] 连接结构具体制造工序为：

[0046] a、制造上层建筑的钢构架1；

[0047] b、焊接连接板条2；

[0048] c、钻螺栓4孔，并将螺母3焊接在连接板条2对应孔位上，完工后螺母3与连接板条2应贴合无翘曲，螺栓4可自由旋入；

[0049] d、预制形状模具，形状模具用于成型复合材料壳板11；

[0050] e、在形状模具上铺设玻璃纤维布，以成型复合材料下面板7，在复合材料下面板7上方放置预制好的复合材料芯层5，在连接板条2上方铺设多层玻璃纤维布以成型固定板8，在复合材料芯层5上方铺设玻璃纤维布以成型复合材料上面板6（与复合材料壳板11相比，
边缘层合板3的厚度相应减薄，二者之间通过铺设不同层数的纤维布实现过渡连接，在厚度变化过渡区，至少每两层复合材料芯层5覆盖一层连续纤维布）；

[0051] f、在螺母3的对应孔位配钻复合材料螺栓4孔，拧上螺栓4，将螺栓4与螺母3进行点焊；

[0052] g、继续铺设玻璃纤维布以成型保护层10，玻璃纤维布覆盖于螺栓4；

[0053] h、真空灌注树脂，一体成型。

[0054] 成型后，螺栓4周围局部示意图如图5所示。

[0055] 本实施例图中连接结构有两种形式，参照图3（也为图2的C处放大处示意图），第一种为钢构架1和连接板条2连接形成十字形结构，十字形结构中的一L形槽，L形槽上铺设多层玻璃纤维布，玻璃纤维布灌浆后形成一个固定板8。

[0056] 参照图4，第二种为钢构架1位于连接板条2下方将其进行支撑，连接板条2上方整个铺设有多层玻璃纤维布，玻璃纤维布灌浆形成一整块固定板8。

[0057] 本实施例提出的复合材料壳板和钢构架的连接结构，具有以下有益效果：

[0058] 1、与传统复合材料壳板与钢构架1之间采用可拆式连接不同，本连接结构通过预埋螺栓4，使螺栓4被树脂完全覆盖，此种连接结构能够实现复合材料壳板与钢构架1的牢固连接，保证结构在长期使用环境中具有足够强度和刚度，有效抑制结构振动；

[0059] 2、传统的可拆式连接需待复合材料壳板成型完成后，进行钻孔安装，由于上层建筑结构通常带有复杂线型，容易产生加工误差和残余变形，导致接触面不贴合，经常需要使用蛮力强行拧螺栓4安装，安装较为困难。本连接结构，在复合材料壳板成型之前就钻孔安装了螺栓4，制造顺序的改变规避了安装困难的工序。实践表明，此种连接结构能够解决传统方式安装困难的问题，改善制造难度，保证施工质量；

[0060] 3、传统的可拆式连接结构中，螺栓4和螺母3均暴露在海水中，同时，螺栓4与复合材料壳板之间存在间隙，形成海水浸泡环境，容易造成复合材料壳板与钢构架1连接部位的腐蚀。本连接结构在螺栓4安装完成后，还需继续敷设复合材料纤维覆盖螺栓4，然后灌注树脂一体成型，使螺栓4完全预埋在复合材料壳板中，并且树脂充满螺栓4与螺母3，以及螺栓4与复材壳板之间的间隙，此种连接结构隔绝了海水与螺栓4的接触，能有效提高防腐性能。

[0061] 本发明进一步提出一种复合材料壳板和钢构架的连接方法。

[0062] 本优选实施例中，一种复合材料壳板和钢构架的连接方法，包括以下步骤：

[0063] 步骤S10，在钢构架上焊接连接板条2，将连接板条2的底端面上固定螺母3，并在连接板条2上开设螺栓4孔；

[0064] 步骤S20，在模具上铺设玻璃纤维布以成型复合材料下面板7，在成型复合材料下面板7的玻璃纤维布上方放置预制的复合材料芯层5，在连接板条2上方铺设多层玻璃纤维
布以成型固定板8，在复合材料芯层5上方铺设玻璃纤维布以成型复合材料上面板6；

[0065] 步骤S30，将连接板条2上方的玻璃纤维布钻孔后，将螺栓4穿过并旋入连接板条2下方的螺母3，将螺栓4与螺母3进行点焊；

[0066] 步骤S40，将固定板8、复合材料上面板6和复合材料下面板7的玻璃纤维布真空灌注树脂后硬化形成整体。

[0067] 步骤S30之后还包括：

[0068] 步骤S31，在螺栓4的上方继续铺设玻璃纤维布以成型保护层10。

[0069] 具体地，保护层10与固定板8、复合材料上面板6和复合材料下面板7均为一体成型，从而提高连接结构的连接强度。保护层10厚度为2mm 3mm。
~

[0070] 为了提高连接结构的连接强度，复合材料上面板6和复合材料下面板7的玻璃纤维布可以与固定板8的部分玻璃纤维布为一整块玻璃纤维布。

[0071] 本实施例提出的复合材料壳板和钢构架的连接方法，相较传统连接结构方案，降低了制造难度，安装方便，有利于保证施工质量。

[0072] 以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均
同理包括在本发明的专利保护范围内。