本發(fā)明涉及一種航天器承力結(jié)構(gòu)，特別涉及一種含懸掛式復(fù)合材料貯箱的承力結(jié)構(gòu)，屬于航天器減重技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

未來(lái)航天器的發(fā)展主要以低成本、高運(yùn)載能力為目標(biāo)，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)首先要解決的是結(jié)構(gòu)減重問(wèn)題，而貯箱是飛行器主要的結(jié)構(gòu)部件之一，也是減重的關(guān)鍵部件。美國(guó)的研究表明，要達(dá)到可重復(fù)使用飛行器的飛行要求，必須使凈重/發(fā)射總重量≤0.092，0.092為凈重比，傳統(tǒng)的金屬貯箱凈重比高達(dá)0.097。而發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比隨著凈重的減少而逐漸提高，也就是說(shuō)結(jié)構(gòu)重量的減輕直接會(huì)提高推進(jìn)系統(tǒng)的效率。雖然金屬貯箱已經(jīng)在各型航天器上獲得大量的應(yīng)用，但由于金屬材料屬于各向同性，所制備的貯箱都存在明顯的強(qiáng)度富余，無(wú)法進(jìn)一步減重。而碳纖維復(fù)合材料屬于各向異性材料，具有比強(qiáng)度高、抗疲勞強(qiáng)度優(yōu)良、破壞后無(wú)二次損傷的特點(diǎn)，最重要的是可以根據(jù)要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得在某一方向上具有最優(yōu)承載的優(yōu)勢(shì)，有效減輕結(jié)構(gòu)重量。通過(guò)金屬貯箱與復(fù)合材料貯箱的重量對(duì)比可知，復(fù)合材料貯箱較金屬貯箱減重達(dá)30％以上。因此，發(fā)展復(fù)合材料貯箱是實(shí)現(xiàn)航天系統(tǒng)減重目的的關(guān)鍵技術(shù)之一。

復(fù)合材料貯箱作為航天系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其研制技術(shù)直接決定其性能，而其性能又對(duì)航天系統(tǒng)有很大的影響，如(1)貯箱結(jié)構(gòu)效率：貯箱作為屬于重量比例較大的結(jié)構(gòu)部件，其結(jié)構(gòu)效率直接影響航天器有效載荷；(2)貯箱可靠性:直接關(guān)系整個(gè)航天器的成功發(fā)射與在軌安全運(yùn)行；(3)貯箱安全性：如果發(fā)生貯箱爆破的災(zāi)難性失效，產(chǎn)生的高壓氣體釋放、金屬或纖維束高速碎片將對(duì)航天器產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞；(4)貯箱應(yīng)力斷裂壽命：直接影響航天器在軌工作壽命，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證貯箱在服役期間滿(mǎn)足相應(yīng)的可靠度要求；(5)貯箱疲勞壽命：影響航天器重復(fù)使用貯箱的介質(zhì)充填次數(shù)。因此，針對(duì)復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)構(gòu)型方案進(jìn)行研究，結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工藝特點(diǎn)和材料性能，提出有效、可行、具有工程可實(shí)現(xiàn)性的方案設(shè)計(jì)。

圖1為現(xiàn)有常用的復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)承受的主要載荷通過(guò)梁框傳遞，貯箱1作為非主承力部件只承受飛行時(shí)自身及燃料過(guò)載以及貯箱增壓壓力。這個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)型的特點(diǎn)是貯箱1通過(guò)連接裙懸掛在法蘭連接框3上，只承受內(nèi)壓載荷。在法蘭連接框3上同時(shí)通過(guò)復(fù)合材料錐體支架2直接支撐有效載荷法蘭，對(duì)作為主承力部件的復(fù)合材料錐體支架2的剛度及重量要有較高要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種降低結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率的懸掛式復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的懸掛式復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)，包括四個(gè)復(fù)合材料貯箱、環(huán)形框和十字梁；

十字梁固定在環(huán)形框的內(nèi)側(cè)，形成四個(gè)框梁支架，框梁支架為90°圓心角的扇形框架結(jié)構(gòu)；

四個(gè)復(fù)合材料貯箱分別固定在四個(gè)框梁支架上，貯箱僅承擔(dān)內(nèi)壓載荷和自身質(zhì)量產(chǎn)生的載荷。

優(yōu)選的是，環(huán)形框的上端面還設(shè)置有效載荷支架。

優(yōu)選的是，所述復(fù)合材料貯箱的環(huán)向和軸向的鋪層比例為a：1，其中a的取值范圍為1.5～2.5。

優(yōu)選的是，所述復(fù)合材料貯箱通過(guò)連接裙與框梁支架連接，連接裙在纏繞時(shí)與復(fù)合材料貯箱一體成型，并通過(guò)螺栓與框梁支架連接。

優(yōu)選的是，所述十字梁采用膠接和鉚接相結(jié)合的方式固定在環(huán)形框的內(nèi)側(cè)。

優(yōu)選的是，所述環(huán)形框和十字梁均采用預(yù)浸料鋪放卷制工藝制備，外部鋪放復(fù)合材料，內(nèi)部填充芳綸紙蜂窩。

優(yōu)選的是，所述環(huán)形框和十字梁均采用口型梁制成。

本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明利用框梁支架固定四個(gè)復(fù)合材料貯箱，在結(jié)構(gòu)總?cè)莘e不變的情況下，增大每個(gè)貯箱容積的同時(shí)，減少了貯箱的數(shù)量，從而增加了結(jié)構(gòu)可利用的空間，達(dá)到了降低結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率的目的。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有常用的復(fù)合材料貯箱的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2為本發(fā)明的懸掛式復(fù)合材料貯箱的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖3為本發(fā)明應(yīng)用至航天器上的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖4為應(yīng)用至航天器上的底面結(jié)構(gòu)原理圖。

圖5為應(yīng)用至航天器上的頂面結(jié)構(gòu)原理圖。

圖6為應(yīng)用至航天器上的側(cè)面結(jié)構(gòu)原理圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不作為本發(fā)明的限定。

本實(shí)施方式的懸掛式復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)，如圖2所示，懸掛式貯箱結(jié)構(gòu)包括四個(gè)復(fù)合材料貯箱3、環(huán)形框5和十字梁4；

十字梁4固定在環(huán)形框5的內(nèi)側(cè)，形成四個(gè)框梁支架，框梁支架為90°圓心角的扇形框架結(jié)構(gòu)；

四個(gè)復(fù)合材料貯箱3分別固定在四個(gè)框梁支架上，貯箱僅承擔(dān)內(nèi)壓載荷和自身質(zhì)量產(chǎn)生的載荷。。

環(huán)形框的上端面還設(shè)置有效載荷支架6。

本實(shí)施方式采用框梁支架懸掛貯箱，本實(shí)施方式的懸掛式復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)應(yīng)用至航天器上的原理示意圖如圖3、圖4、圖5和圖6所示，結(jié)構(gòu)上面承受的有效載荷通過(guò)有效載荷支架6作用于環(huán)形框5上，下面發(fā)動(dòng)機(jī)7產(chǎn)生的推力作用于十字梁4中點(diǎn)處。可見(jiàn)，當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)工作時(shí)，下面發(fā)動(dòng)機(jī)7產(chǎn)生的推力傳遞至十字梁4和連接裙，并進(jìn)而傳遞至貯箱，同時(shí)通過(guò)復(fù)合材料有效載荷支架6傳遞至上面的有效載荷。

本實(shí)施方式的環(huán)形框和十字梁均采用口型梁制成。

本實(shí)施方式貯箱的設(shè)計(jì)方法：

對(duì)于復(fù)合材料貯箱，由于其厚度很薄，模量較低，因此在貯箱工作過(guò)程中，可以忽略金屬內(nèi)襯的承載作用，認(rèn)為鋁合金只起氣密作用。復(fù)合材料貯箱在纏繞工藝過(guò)程中的纏繞線(xiàn)型設(shè)計(jì)和鋪層順序設(shè)計(jì)往往先于工藝設(shè)計(jì)，造成設(shè)計(jì)與工藝脫節(jié)。鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果在工藝上往往無(wú)法滿(mǎn)足纖維穩(wěn)定的要求，導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，需要重新設(shè)計(jì)，并進(jìn)行大量的試驗(yàn)工藝摸索。通過(guò)對(duì)封頭纏繞軌跡的計(jì)算，可以確定理論優(yōu)化設(shè)計(jì)的邊界條件，大幅度減少試錯(cuò)試驗(yàn)的數(shù)量，降低成本的同時(shí)，可以得到可行的最優(yōu)方案。

復(fù)合材料貯箱在進(jìn)行剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)遇到封頭建模不準(zhǔn)確的問(wèn)題，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)計(jì)算存在誤差。同時(shí)以往設(shè)計(jì)纏繞線(xiàn)型，在封頭上往往采用測(cè)地線(xiàn)或短程線(xiàn)來(lái)規(guī)劃線(xiàn)型，因此，導(dǎo)致線(xiàn)型設(shè)計(jì)余地較小，線(xiàn)型受到芯模尺寸，封頭型面等限制因素的控制。為了得到合理的線(xiàn)型，有時(shí)甚至需要修改內(nèi)襯尺寸，造成大量的重復(fù)計(jì)算，這種現(xiàn)象在不等極孔貯箱的纏繞過(guò)程中尤其明顯。通過(guò)求解纏繞軌跡在封頭型面的穩(wěn)定方程，配合纏繞角方程，可以有效的解決封頭與筒身交接處纏繞角固定，導(dǎo)致線(xiàn)型設(shè)計(jì)困難的難題。在封頭上推導(dǎo)出一個(gè)纖維可以進(jìn)行穩(wěn)定非測(cè)地線(xiàn)纏繞的區(qū)域，將使得在該區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)筒身纏繞角的變化范圍，配合纖維纏繞不離縫不重疊條件，使得線(xiàn)型設(shè)計(jì)自由度大大增加，同時(shí)根據(jù)封頭受力情況，改變封頭上纖維軌跡走向，設(shè)計(jì)出更加符合封頭受力的線(xiàn)型軌跡。

復(fù)合材料貯箱在封頭處的纏繞層由于連續(xù)纖維纏繞的原因，在封頭極孔附近將產(chǎn)生纖維堆積現(xiàn)象，這種纖維堆積將導(dǎo)致封頭厚度出現(xiàn)不連續(xù)的非線(xiàn)性變化，極孔附近復(fù)合材料堆高限制法蘭的設(shè)計(jì)尺寸，以及復(fù)合材料在纏繞過(guò)程中纖維滑線(xiàn)、架空等現(xiàn)象。此外，如何精確預(yù)測(cè)各種纏繞線(xiàn)型和纏繞層分布下的封頭厚度分布，對(duì)復(fù)合材料封頭有限元建模的精確性也影響極大。因此，通過(guò)對(duì)纏繞厚度的精確預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)每種線(xiàn)型在封頭上的軌跡分布進(jìn)行精確計(jì)算后，可以得到每種線(xiàn)型在每個(gè)單元范圍內(nèi)的厚度堆積情況和纏繞角精確值，然后再逐點(diǎn)代入有限元單元中，可進(jìn)行更加精確的有限元計(jì)算。

在以上工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)聯(lián)用Ansys和迭代計(jì)算程序以及纏繞線(xiàn)型表，設(shè)計(jì)不同的纏繞線(xiàn)型，進(jìn)而以應(yīng)變均勻?yàn)樵O(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)各種允許線(xiàn)型下的變形情況進(jìn)行計(jì)算并優(yōu)選，達(dá)到封頭的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成整個(gè)貯箱的設(shè)計(jì)。

優(yōu)選實(shí)施例中，十字梁采用膠接和鉚接相結(jié)合的方式固定在環(huán)形框的內(nèi)側(cè)。

本實(shí)施方式的環(huán)形框和十字梁也均為復(fù)合材料，膠接有重量輕的優(yōu)點(diǎn)，而鉚接應(yīng)用在承受驗(yàn)證沖擊及振動(dòng)的載荷中。根據(jù)膠接和鉚接的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際連接需求選擇膠接或鉚接，以達(dá)到將十字梁固定在環(huán)形框的內(nèi)側(cè)的目的。

優(yōu)選實(shí)施例中，復(fù)合材料貯箱通過(guò)連接裙與框梁支架連接，連接裙在纏繞時(shí)與復(fù)合材料貯箱一體成型，并通過(guò)螺栓與框梁支架連接。

本實(shí)施方式的連接裙為復(fù)合材料，在實(shí)際應(yīng)用中，連接裙在貯箱纏繞時(shí)與貯箱一體成型，并通過(guò)螺栓與框梁支架連接，所以本實(shí)施方式的連接裙也作為主承力結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選實(shí)施例中，環(huán)形框和十字梁均采用預(yù)浸料鋪放卷制工藝制備，外部鋪放復(fù)合材料，內(nèi)部填充芳綸紙蜂窩。

優(yōu)選的是，所述復(fù)合材料貯箱的環(huán)向和軸向的鋪層比例為1.5:1～2.5:1。由于在該復(fù)合材料貯箱結(jié)構(gòu)構(gòu)型中，貯箱作為非承力部件，工作時(shí)只是承受內(nèi)部燃料過(guò)載以及貯箱增壓壓力，所以，貯箱環(huán)向變形遠(yuǎn)大于軸向變形，通常將貯箱環(huán)向和軸向的鋪層比例設(shè)計(jì)為1.5:1～2.5:1較為合理。