CN103287588B - 高承载能力内埋框架复合材料结构板 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高承载能力内埋框架复合材料结构板，包括：碳纤维内埋框架、外蒙皮、铝蜂窝芯子和金属埋件，碳纤维内埋框架包括设置有镂空部、横截面呈U形凹槽的框架和加强筋，加强筋与框架连接，铝蜂窝芯子连接至镂空部，金属埋件嵌入U形凹槽内，外蒙皮分别设置在碳纤维内埋框架上、下两侧，与碳纤维内埋框架胶结连接。本发明具有重量轻、承载能力强的优点，本发明的广泛应用能够取得降低发射成本、提高航天器携带大容量贮箱的能力，以及提高航天器性能等有益效果。

Description

高承载能力内埋框架复合材料结构板

技术领域

本发明涉及一种复合材料结构板，具体地，涉及一种高承载能力内埋框架复合材料结构板。

背景技术

铝蜂窝夹层结构板是人造卫星结构上的常用结构，通常作为主要承力部件，用以安装星上单机、载荷等仪器设备。内埋框架可以进一步提高其承载能力，使得整板具有更高的强度、刚度。

以往的铝蜂窝夹层结构板其内埋框架多采用金属材料。在获得足够承载能力的同时重量较大，无法同时满足卫星结构轻量化，比刚度高、比强度高的要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高承载能力内埋框架复合材料结构板。

根据本发明的一个方面，提供一种高承载能力内埋框架复合材料结构板，包括：碳纤维内埋框架、外蒙皮、铝蜂窝芯子和金属埋件，碳纤维内埋框架包括设置有镂空部、横截面呈U形凹槽的框架和加强筋，加强筋与框架连接，铝蜂窝芯子连接至镂空部，金属埋件嵌入U形凹槽内，外蒙皮分别设置在碳纤维内埋框架上、下两侧，与碳纤维内埋框架胶结连接。

优选地，碳纤维内埋框架采用T800/Ag-80碳纤维材料制成。

优选地，碳纤维内埋框架最大包络2909mm×1680mm。

优选地，外蒙皮采用M55J/Ag-80碳纤维材料制成。

优选地，外蒙皮铺设层数为四层，上下各两层，单层厚度0.1mm。

优选地，外蒙皮的各层采用[0°/45°/90°/-45°]的准各向同性铺层。

优选地，铝蜂窝芯子采用5A02H材料制成。

优选地，铝蜂窝芯子为厚度0.04mm,边长5mm的正六边形有孔耐久蜂窝。

优选地，金属埋件上设置有螺纹孔或阶梯孔。

优选地，金属埋件为镁合金埋件。

本发明的高承载能力内埋框架复合材料结构板，其内埋框架及外蒙皮均采用碳纤维材料，根据实际工艺情况，通过对框架结构截面的U形凹槽设计，将铝蜂窝内嵌入框架镂空部分，将镁合金埋件内嵌入框架凹槽内，克服了以往大跨度、复杂构型复合材料难以整体成型的问题。本发明的复合材料结构板其重量为同等承载能力金属结构板的65%，具有更高的比刚度、比强度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明因其重量轻、承载能力强的优点，解决了大容量贮箱的安装和支承问题、航天器用高承载能力结构板的轻量化问题，以及结构板内各部件的连接问题。本发明对于人造卫星等航天器减轻结构重量，提高结构的比刚度和比强度，提升结构综合性能有良好效果。本发明的广泛应用能够取得降低发射成本、提高航天器携带大容量贮箱的能力，以及提高航天器性能等有益效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明高承载能力内埋框架复合材料结构板的结构示意图；

图2为本发明高承载能力内埋框架复合材料结构板的结构透视图；

图3为本发明实施例的碳纤维内埋框架的结构示意图；

图4为图3中A部的局部放大图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请参阅图1至图4，一种高承载能力内埋框架复合材料结构板，包括：碳纤维内埋框架1、外蒙皮2、铝蜂窝芯子3和金属埋件4，碳纤维内埋框架1包括设置有镂空部、横截面呈U形凹槽的框架和加强筋5，加强筋5与框架连接，铝蜂窝芯子3连接至镂空部，金属埋件5嵌入U形凹槽内，外蒙皮2分别设置在碳纤维内埋框架1的上、下两侧，与碳纤维内埋框架1胶结连接。

具体地，碳纤维内埋框架1采用T800/Ag-80碳纤维材料制成，最大包络2909mm×1680mm，跨度大。

进一步地，外蒙皮2采用M55J/Ag-80碳纤维材料制成，其纤维方向弹性模量可达到280GPa，铺设层数为四层，上下面铺层相同，单层厚度0.1mm，采用[0°/45°/90°/-45°]的准各向同性铺层，以保证蒙皮各个方向性能的均衡。

更进一步地，铝蜂窝芯子3采用5A02H材料制成，采用厚度为0.04mm,边长为5mm的正六边形有孔耐久蜂窝,蜂窝芯子铺设在内埋框架的镂空位置，可显著提高整个支撑结构的刚度。金属埋件4为镁合金埋件，采用镁合金材料，预先内嵌在框架的U型凹槽内，其上开螺纹孔或阶梯孔，用于和星体主结构及被承载设备连接。

本发明设计内埋框架采用碳纤维材料整体成型，跨度大，比刚度、比强度高。外蒙皮采用高模量碳纤维，准各向同性铺层。内埋框架镂空处铺设铝蜂窝芯子，提高了支撑板整体刚度。金属埋件采用内嵌式设计。以上各组成部分通过先常温胶接、后热压罐加温加压两个主要步骤复合成为一块具备高承载能力的复合材料结构板，具体生产过程如下：

首先，使用专用模具完成内埋碳纤维框架1的整体成型并脱模，而后根据实际连接需要嵌入镁合金埋件4并使用常温胶J133固化，埋件与框架固化24小时后，在内埋框架的镂空位置铺设铝蜂窝芯子3，再将外蒙皮2与框架、铝蜂窝芯子3复合为一个整体进行二次固化，二次固化在热压罐中完成。

综上，本发明在拓扑优化的基础上详细设计得到碳纤维内埋框架的整体构型，该框架根据承载需要控制U型凹槽截面开口方向，控制加强筋铺设的位置及密度，以便在轻量化的基础上最大可能提高结构承载能力。同时使用铝蜂窝芯子提高整板刚度、使用镁合金埋件提供实际安装接口，控制蒙皮铺层方向以获得各向近似的面内抗弯、抗扭能力。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种高承载能力内埋框架复合材料结构板，其特征在于，包括：碳纤维内埋框架、外蒙皮、铝蜂窝芯子和金属埋件，所述碳纤维内埋框架包括设置有镂空部、横截面呈U形凹槽的框架和加强筋，所述加强筋与所述框架连接，所述铝蜂窝芯子连接至所述镂空部，所述金属埋件嵌入所述U形凹槽内，且所述金属埋件为镁合金埋件，所述外蒙皮分别设置在所述碳纤维内埋框架上、下两侧，与所述碳纤维内埋框架胶结连接。

2.根据权利要求1所述的高承载能力内埋框架复合材料结构板，其特征在于，所述碳纤维内埋框架采用T800/Ag-80碳纤维材料制成。

3.根据权利要求1所述的高承载能力内埋框架复合材料结构板，其特征在于，所述碳纤维内埋框架最大包络2909mm×1680mm。

4.根据权利要求1所述的高承载能力内埋框架复合材料结构板，其特征在于，所述外蒙皮采用M55J/Ag-80碳纤维材料制成。

5.根据权利要求4所述的高承载能力内埋框架复合材料结构板，其特征在于，所述外蒙皮铺设层数为四层，上下各两层，单层厚度0.1mm。

6.根据权利要求5所述的高承载能力内埋框架复合材料结构板，其特征在于，所述外蒙皮的各层采用[0°/45°/90°/-45°]的准各向同性铺层。

7.根据权利要求1所述的高承载能力内埋框架复合材料结构板，其特征在于，所述铝蜂窝芯子采用5A02H材料制成。

8.根据权利要求7所述的高承载能力内埋框架复合材料结构板，其特征在于，所述,铝蜂窝芯子为厚度0.04mm，边长5mm的正六边形有孔耐久蜂窝。

9.根据权利要求1所述的高承载能力内埋框架复合材料结构板，其特征在于，所述金属埋件上设置有螺纹孔或阶梯孔。