CN105947235B - 电能与力学环境管理多功能结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电能与力学环境管理多功能结构，包括主结构模块、四个可充/放电源模块、减振系统以及传感器模块；主结构模块包括框架、上盖板和下盖板；每个电源模块的四周与用于容纳该电源模块的方格空腔壁之间、每个电源模块的底面与下盖板、以及每个电源模块的顶面与上盖板之间分别设置有弹性垫。优点为：本发明通过将电源模块以弹性约束的方式嵌入结构内部，使该结构实现了承载、供电、减振等多功能高度融为一体，且结构中采用了碳纤维复合材料等多种轻质材料及空心框架结构，有效减轻了结构重量；同时由于省出了原有电源所占空间，增大了有效载荷可利用空间。因此，本发明大幅提高了系统平台的载荷/质量比、载荷/体积比及功能/结构比。

Description

电能与力学环境管理多功能结构
技术领域
本发明属于材料、力学、能源等多学科交叉技术领域，具体涉及一种电能与力学环境管理多功能结构。
背景技术
对于现代航天器结构，急需发展多功能结构技术，把电、热、推进、减振、防护等独立功能单元与结构平台有机融合在一起，以实现结构、功能、电能、材料等的一体化成型，从而消除传统结构大量冗余的重量和体积，实现结构质量的轻量化以及体积的小型化，提高系统平台的载荷/质量比、功能/结构比等，降低研制成本、延长航天器寿命，并增加航天器能力。然而截止目前，尚未见到相关的文献资料报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种电能与力学环境管理多功能结构，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种电能与力学环境管理多功能结构，包括一个主结构模块、四个可充/放电源模块、一套减振系统以及一套传感器模块；
所述主结构模块包括框架(10)、上盖板(11)和下盖板(12)；其中，所述框架(10)的整体外形呈田字构型，具有四个方格空腔，所述框架(10)具有关于x、y和z三轴的全方位对称性；所述下盖板(12)固定于所述框架(10)的底面；所述上盖板(11)固定于所述框架(10)的顶面；所述框架(10)、所述上盖板(11)和所述下盖板(12)组成主承力结构，具有结构承载的功能；
所述电源模块包括4个，分别记为电源模块Ⅰ(20)、电源模块Ⅱ(21)、电源模块Ⅲ(22)和电源模块Ⅳ(23)；每个所述电源模块通过弹性支撑以嵌埋方式设置于框架(10)、上盖板(11)和下盖板(12)所形成的封闭方格空腔内，并且，每个方格空腔内唯一安装1个所述电源模块；其中，弹性支撑包括弹性块(30)和弹性垫(31)；此外，电源模块的正、负极线通过强电电缆引出，连接到设置于所述框架(10)的外侧壁的强电电连接器(24)上形成充放电接口；所述电源模块既具有多次充电与多次放电的功能，又具有充当振子消耗振动能量的功能；
另外，每个所述电源模块的四周与用于容纳该电源模块的方格空腔壁之间设置有弹性块(30)；每个所述电源模块的底面与所述下盖板(12)之间设置有弹性垫(31)，每个所述电源模块的顶面与所述上盖板(11)之间也设置有弹性垫(31)；所述电源模块、所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)构成减振系统，相当于“弹簧-振子”模型，其中，所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)相当于具有一定刚度和阻尼的弹性支撑；所述电源模块相当于具有一定质量的振子，该减振系统一方面通过弹性支撑的变形吸振耗能，另一方面由作为振子的电源模块将结构振动能量转化为振子动能的方式来消耗振动能量，二者综合作用的结果降低了振动在多功能结构中的传递，并有效管理电源模块的力学环境；
所述传感器模块包括若干个温度传感器和若干个加速度传感器；其中，所述温度传感器设置于所述电源模块的内腔和外侧壁，用于监测所述电源模块的温度；所述加速度传感器设置于所述框架(10)的内壁、所述上盖板(11)的内壁和所述下盖板(12)的内壁，用于测量所述框架(10)、所述上盖板(11)和所述下盖板(12)的振动情况，为多功能结构内部电能与振动管理提供了检测与监控手段。
优选的，所述框架(10)采用两类空心方管连接装配而成，分别是位于四周的八根边框(10-1)和处于中心的四根龙骨(10-2)；
四根龙骨(10-2)通过十字型接头组成十字结构；
八根边框(10-1)分别命名为边框Ⅰ～边框Ⅷ，先将每两根边框通过L型接头组成L型结构，由此得到四个L型结构；
将四个L型结构与由四根龙骨构成的十字结构通过T型接头组合形成一个具有对称性的田字型框架。
优选的，所述龙骨(10-2)和所述边框(10-1)均采用碳纤维复合材料铺层而成，铺层方式为[±45/0/±45]2S；
所述十字型接头、所述L型接头和所述T型接头采用高比强度、低热膨胀系数的钛合金材料制成；其与边框(10-1)、龙骨(10-2)之间采用胶粘剂进行粘接。
优选的，在所述框架(10)的各转角处还采用结构胶粘剂粘接有L型的角片(10-3)，角片(10-3)由聚酰亚胺绝缘材料制作而成，用于对框架(10)装配连接处进行加强，同时具有绝缘作用；
在所述加速度传感器的安装处粘接有绝缘片(10-4)，该绝缘片也由聚酰亚胺绝缘材料制成，能够使加速度传感器与主结构模块之间绝缘。
优选的，所述上盖板(11)和所述下盖板(12)均采用上蒙皮/夹芯格板/下蒙皮构成的夹芯结构形式；
所述夹芯结构形式是指：按自上而下顺序，依次包括上蒙皮(11-1)、夹芯格板(11-2)和下蒙皮(11-3)；所述上蒙皮(11-1)和所述夹芯格板(11-2)之间采用胶粘剂进行连接，控制粘接胶层的厚度在0.1mm～0.2mm的范围；所述下蒙皮(11-3)和所述夹芯格板(11-2)之间采用胶粘剂进行连接，控制粘接胶层的厚度在0.1mm～0.2mm的范围；
其中，夹芯格板(11-2)为筋条网格形式，所述上蒙皮(11-1)和所述下蒙皮(11-3)均为面板形式，并且，所述上蒙皮(11-1)和所述下蒙皮(11-3)的结构尺寸和材料完全相同；
另外，所述上蒙皮(11-1)、所述夹芯格板(11-2)和所述下蒙皮(11-3)均采用碳纤维复合材料制成，所述上蒙皮(11-1)和所述下蒙皮(11-3)铺层方式为[0/±45/90/±45]S；所述夹芯格板(11-2)的铺层方式为[0/±45/90/0]2S。
优选的，所述上盖板(11)和所述下盖板(12)设计有多个规则排列的圆形排气孔，用作工艺过程和真空环境下结构内部气体的排出通道；
另外，所述下盖板(12)通过胶粘方式固定于所述框架(10)的底面；所述上盖板(11)通过螺钉以螺纹连接方式固定于所述框架(10)的顶面，螺钉安装孔位于所述框架(10)的四个角点、中心位置以及边框和龙骨上；螺钉采用热膨胀系数小的钛合金材料制作，适用于温差大且变化剧烈的工作环境。
优选的，所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)所采用的材料为由高分子弹性材料乙烯基封端聚二甲基硅氧烷制成的材料，该材料的化学分子结构式为：
所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)既具有结构支撑电源模块的功能，还可通过自身弹性变形达到耗散一部分振动能量的作用，具有保护电源模块的功能，同时还具有使电源模块与主结构模块绝缘及为电源模块散热的功能。
优选的，所述弹性块(30)和弹性垫(31)以预压方式进行安装，通过预压缩产生弹性力来实现对电源模块的弹性约束支撑；所述弹性块(30)呈长方体形状，其两端分别与框架(10)的内侧面和电源模块的外侧面以面接触方式相接，不存在固接关系；所述弹性垫(31)呈井字构型，一面通过胶粘剂与上盖板(11)的下表面和下盖板(12)的上表面粘接在一起，而另一面仅以面接触方式与电源模块的表面相接，也不存在固接关系；安装好后的弹性块(30)和弹性垫(31)均处于预压紧状态，具有结构支撑作用，可使得静止状态下的电源模块在框架(10)内部保持位置确定。
优选的，在框架(10)的内侧，在每个弹性块(30)两侧根部界限处的位置，均采用结构胶粘剂粘接有限位块(32)，用于对弹性块(30)进行限位，使其不发生移动和错位。
优选的，所述电源模块可采用锂电池；
和/或
在所述电源模块的内部还引出若干电压检测线，并焊接到安装于框架(10)外侧壁的电连接器(33)上，形成一个用于检测每个电源模块分级的电压信号的检测接口；
和/或
所述上盖板(11)的上表面和下盖板(12)的下表面均进行了打磨处理，使整个多功能结构的碳纤维表面具有导电一致性；
在所述上盖板(11)的上表面铺贴有环形铜箔(50)；在下盖板(12)的下表面整面铺贴底层铜箔(51)，该底层铜箔(51)由若干一定宽度的铜箔拼接而成，形成一个整体导电面；在所述框架(10)的外侧壁均匀铺贴有U形铜箔(52)，该U形铜箔(52)与所述上盖板(11)上的环形铜箔(50)和下盖板(12)上的底层铜箔(51)进行搭接，使整个电能与力学环境管理多功能结构的导电性一致；
所述环形铜箔(50)的四个角还各安装了一个接地桩(53)，该接地桩(53)的一端与电源模块的地线相连，另一端与外部地相连接，通过该接地桩(53)使得该多功能结构整体有效接地。
本发明提供的电能与力学环境管理多功能结构具有以下优点：
(1)本发明通过将电源模块以弹性约束的方式嵌入结构内部，使该结构实现了承载、供电、减振等多功能高度融为一体，且结构中采用了碳纤维复合材料等多种轻质材料及空心框架结构，有效减轻了结构重量；同时由于省出了原有电源所占空间，增大了有效载荷可利用空间。因此，本发明大幅提高了系统平台的载荷/质量比、载荷/体积比及功能/结构比。
(2)本发明通过采用弹性支撑等减振设计考虑，使之能够顺利通过火箭上升段严酷的振动力学环境考核，满足航天应用的需求；同时，通过材料选择、排气孔结构设计等考虑，使之能够经受热真空、热循环等环境考核，适应太空真空工作环境。
附图说明
图1为本发明提供的电能与力学环境管理多功能结构的分解状态示意图；
图2为本发明提供的框架的正视图；
图3为本发明提供的框架的立体图；
图4为本发明提供的L型接头的结构示意图；
图5为本发明提供的十字型接头的结构示意图；
图6为本发明提供的T型接头的结构示意图；
图7为图3中F区域的局部放大图；
图8为本发明提供的上盖板或下盖板在一个角度下的分解状态示意图；
图9为本发明提供的上盖板或下盖板在另一个角度下的分解状态示意图；
图10为本发明提供的弹性垫的结构示意图；
图11为本发明提供的电源模块的装配状态正视图；
图12为本发明提供的电源模块的装配状态立体图；
图13为本发明提供的弹性块的装配状态正视图；
图14为本发明提供的弹性块的装配状态立体图；
图15为图14中B区域的局部放大图；
图16为本发明提供的等效减振模型示意图；
图17为本发明提供的温度传感器和加速度传感器的安装位置示意图；其中，WDC代表温度传感器；JSDC代表加速度传感器；
图18为本发明提供的电能与力学环境管理多功能结构的顶面正视图；
图19为本发明提供的电能与力学环境管理多功能结构的底面正视图；
图20为本发明提供的电能与力学环境管理多功能结构的整体立体图；
图21为本发明提供的多功能结构作为航天器舱壁的示意图；
图22为电能与力学环境管理多功能结构的X方向的加速度输出响应图；
图23为电能与力学环境管理多功能结构的Y方向的加速度输出响应图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对结构轻量化与体积小型化的需求，同时兼顾结构减振及充/放电要求，本发明提出了一种集承载、减振、供蓄电与测量功能于一体的电能与力学环境管理多功能结构。
结合图1-图23，本发明提供的电能与力学环境管理多功能结构，包括包括一个主结构模块、四个可充/放电源模块、一套减振系统以及一套传感器模块，可承受频率为0～2000Hz范围、总均方根加速度达28g的宽频带随机振动和高达1600g的冲击载荷，以及10g大小的加速度载荷。
以下对各部分详细介绍：
(一)主结构模块
主结构模块包括框架10、上盖板11和下盖板12。下盖板12固定于框架10的底面，优选的，下盖板12通过胶粘方式固定于框架10的底面；上盖板11固定于框架10的顶面，优选的，上盖板11通过螺钉以螺纹连接方式固定于框架10的顶面，螺钉安装孔位于框架10的四个角点、中心位置以及边框和龙骨上；螺钉采用热膨胀系数小的钛合金材料制作，适用于温差大且变化剧烈的工作环境。框架10、上盖板11和下盖板12组成主承力结构，具有结构承载的功能。
(1)框架
框架10的整体外形呈田字构型，具有四个方格空腔，框架10具有关于x、y和z三轴的全方位对称性，其中，坐标系o-xyz的定义如图2和图3所示，x轴和y轴位于框架10所在平面内，z轴垂直于o-xy平面并与x轴、y轴构成右手坐标系。
框架10采用两类空心方管连接装配而成，分别是位于四周的八根边框10-1和处于中心的四根龙骨10-2；四根龙骨10-2通过十字型接头组成十字结构；八根边框10-1分别命名为边框Ⅰ～边框Ⅷ，先将每两根边框通过L型接头组成L型结构，由此得到四个L型结构；将四个L型结构与由四根龙骨构成的十字结构通过T型接头组合形成一个具有对称性的田字型框架。
另外，龙骨10-2和边框10-1两类方管均采用碳纤维复合材料铺层而成，铺层方式为[±45/0/±45]2S；十字型接头、L型接头和T型接头采用高比强度、低热膨胀系数的钛合金材料制成；其与边框10-1、龙骨10-2之间采用胶粘剂进行粘接。
在框架10的8个转角处还采用结构胶粘剂粘接有L型的角片10-3，角片10-3由聚酰亚胺绝缘材料制作，用于对框架10装配连接处进行加强，同时具有绝缘作用。
(2)上/下盖板
上盖板11和下盖板12均采用上蒙皮/夹芯格板/下蒙皮构成的夹芯结构形式；
夹芯结构形式是指：按自上而下顺序，依次包括上蒙皮11-1、夹芯格板11-2和下蒙皮11-3；上蒙皮11-1和夹芯格板11-2之间采用胶粘剂进行连接，控制粘接胶层的厚度在0.1mm～0.2mm的范围；下蒙皮11-3和夹芯格板11-2之间采用胶粘剂进行连接，胶粘剂优选为J47胶膜，从而控制粘接胶层的厚度在0.1mm～0.2mm的范围；
其中，夹芯格板11-2为筋条网格形式，上蒙皮11-1和下蒙皮11-3均为面板形式，并且，上蒙皮11-1和下蒙皮11-3的结构尺寸和材料完全相同；
另外，上蒙皮11-1、夹芯格板11-2和下蒙皮11-3均采用碳纤维复合材料制成，上蒙皮11-1和下蒙皮11-3铺层方式为[0/±45/90/±45]S；夹芯格板11-2的铺层方式为[0/±45/90/0]2S。
上盖板11和下盖板12设计有多个规则排列的圆形排气孔，用作工艺过程和真空环境下结构内部气体的排出通道。
(二)可充/放电源模块
电源模块包括4个，电源模块可采用锂电池，更优选可采用固态锂电池；将4个电源模块分别记为电源模块Ⅰ20、电源模块Ⅱ21、电源模块Ⅲ22和电源模块Ⅳ23；每个电源模块通过弹性支撑以嵌埋的方式设置于框架10、上盖板11和下盖板12所形成的封闭方格空腔内，并且，每个方格空腔内唯一安装1个电源模块；其中，弹性支撑包括弹性块30和弹性垫31；此外，电源模块的正、负极线通过强电电缆引出，连接到设置于框架10的外侧壁的强电电连接器24上形成充放电接口；电源模块既具有多次充电与多次放电的功能，又具有充当振子消耗振动能量的功能。
在电源模块内部还引出若干电压检测线，并焊接到安装于框架10外侧壁的电连接器33上，形成一个用于检测每个电源模块分级的电压信号的检测接口。
电源模块还可以进一步连接外置的电源管理单元，可以实现恒流充/放电或恒压充/放电，同时充/放电速度可控，从而有效实现对电能的管理。
(三)减振系统
另外，每个电源模块的四周与用于容纳该电源模块的方格空腔壁之间设置有弹性块30；每个电源模块的底面与下盖板12之间设置有弹性垫31，每个电源模块的底面与上盖板11之间也设置有弹性垫31；电源模块、弹性块30和弹性垫31构成减振系统，相当于“弹簧-振子”模型，其中，弹性块30和弹性垫31相当于具有一定刚度和阻尼的弹性支撑；电源模块相当于具有一定质量的振子。该减振系统一方面通过弹性支撑的变形吸振耗能，另一方面由作为振子的电源模块将结构振动能量转化为振子动能的方式来消耗振动能量，二者综合作用的结果降低了振动在多功能结构中的传递，并有效管理电源模块的力学环境。
弹性块30和弹性垫31所采用的材料为由高分子弹性材料乙烯基封端聚二甲基硅氧烷制成的材料，该材料的化学分子结构式为：
弹性块30和弹性垫31既具有结构支撑电源模块的功能，还可通过自身弹性变形达到耗散一部分振动能量的作用，具有保护电源模块的功能，同时还具有电源模块绝缘与散热的功能。
弹性块30呈长方体形状，其两端分别与框架10的内侧面和电源模块的外侧面以面接触方式相接，不存在固接关系；弹性垫31呈井字构型，一面通过胶粘剂与上盖板11的下表面和下盖板12的上表面粘接在一起，而另一面仅以面接触方式与电源模块的表面相接，不存在固接关系；安装好后的弹性块30和弹性垫31均处于预压紧状态，具有结构支撑作用，可使得静止状态下的电源模块在框架10内部保持位置确定。
在框架10的内侧，在每个弹性块30两侧根部界限处的位置，均采用结构胶粘剂粘接有限位块32，用于对弹性块30进行限位。
(四)传感器模块
传感器模块包括若干个温度传感器和若干个加速度传感器；其中，温度传感器设置于电源模块的内腔和外侧壁，用于监测电源模块的温度；加速度传感器设置于框架10的内壁、上盖板11和内壁和下盖板12的内壁，用于测量框架10、上盖板11和下盖板12的振动情况，为多功能结构内部电能与振动管理提供了检测与监控手段。
此外，本发明中，在上盖板11的上表面铺贴有环形铜箔50，环形铜箔的四个角还各连接到一个接地桩53，该接地桩53的一端与电源模块的地线相连，另一端与外部地，例如航天器的系统结构地相连接；在下盖板12的下表面整面铺贴有底层铜箔51；在框架10的外侧壁均匀铺贴有U形铜箔52，该U形铜箔52与环形铜箔50和底层铜箔51进行搭接。
通过采用上述技术方案，形成了一种集承载、减振、供蓄电、测量等功能于一体的电能与力学环境管理多功能结构。
本发明的创新点如下：
(1)本发明通过将电源模块以弹性约束的方式嵌入结构内部，使该结构实现了承载、供电、减振等多功能高度融为一体，且结构中采用了碳纤维复合材料等多种轻质材料及空心框架结构，有效减轻了结构重量；同时由于省出了原有电源所占空间，增大了有效载荷可利用空间。因此，本发明大幅提高了系统平台的载荷/质量比、载荷/体积比及功能/结构比。
(2)本发明通过采用弹性支撑等减振设计考虑，使之能够顺利通过火箭上升段严酷的振动力学环境考核，满足航天应用的需求；同时，通过材料选择、排气孔结构设计等考虑，使之能够经受热真空、热循环等环境考核，适应太空真空工作环境。
本发明提供的电能与力学环境管理多功能结构，具有承载、减振、供电、蓄电、数据测量等多种功能，用于某型号航天器上，具有抗冲击振动能力。
下面结合装配的工艺流程，对该多功能结构进行具体描述。
第1步，框架装配。
框架的整体外形及结构组成如图2和图3所示。框架采用由M40J/TDE-86碳纤维复合材料铺层制成的空心方管连接装配而成，方管外截面尺寸为30mm×25mm，壁厚为2.5mm，具体铺层方式如下表1所示。按结构形式，组成框架的方管可以分为两类，分别是：位于四周的边框和处于中心的龙骨。
边框、龙骨通过在接头上涂覆结构胶粘剂(J133)粘接而得到框架。具体组合顺序如下：龙骨共计四根，先通过“十”字型接头组成一个“十”字结构；而边框共计有八根，分别命名为边框Ⅰ～边框Ⅷ，先将每两根通过“L”型接头组成四个“L”型结构，再将这四个“L”型结构与由四根龙骨构成的“十”字结构通过“T”型接头组合形成一个具有对称性的“田”字型框架，其外缘包络尺寸为800mm×800mm×25mm。所用的三种形状接头分别如图4-图6所示。
为了对框架装配连接处进行加强，在框架各转角处用结构胶粘剂(J133)还粘接有“L”型的角片，共计8个，厚度为1mm，如图7所示。
表1框架材料体系及铺层方式
第2步，上、下盖板制作。
上盖板和下盖板的制作材料、结构尺寸及铺层方式完全相同。它们的外缘包络尺寸均为800mm×800mm×5mm，采用“上蒙皮/夹芯格板/下蒙皮”构成的夹芯结构形式，其中上蒙皮和下蒙皮厚度均为0.96mm，夹芯格板结构为复合材料筋条形式，厚度为3mm，如图8和图9所示。上蒙皮/夹芯格板/下蒙皮通过胶粘方式进行连接，为严格控制粘接胶层的厚度(保持在0.1mm～0.2mm的范围)，采用了J47胶膜作为粘接剂。上/下盖板具体采用的材料体系、各层厚度及铺层方式如下表2所示。
表2上/下盖板的材料体系及铺层方式
上、下盖板制作完成后，在表面打出规则排列的圆形排气孔。
第3步，下盖板与框架粘接。
采用J133结构胶粘剂，将下盖板与第1步中的框架粘接在一起，形成一体结构。
第4步，下盖板与弹性垫胶接。
弹性垫采用K216硅橡胶材料制成，其结构外观呈“井”字构型，如图10所示。弹性垫的材料体系、结构尺寸及性能参数如表3所示。
表3弹性垫的相关参数
组件 材料体系 硬度/A 外形尺寸/mm 厚度/mm
弹性垫 K216硅橡胶 35～40 “井”形，外包络300×300 2.5
采用J133胶粘剂，将4个弹性垫依次粘接在下盖板上。
第5步，电源模块安装。
该多功能结构共包含有4个电源模块，分别记为电源模块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。为确保可靠性，本实施例中，将位置相邻的2个电源模块进行串联，得到两组相同输出电压的电源，分别称为主份电源和备份电源。不难知道，也可以将不同数量的电源模块(例如3个或4个)进行串联组合，从而得到不同大小输出的直流电压。
电源模块的外缘包络尺寸为300mm×280mm×20mm，整体外形如图11和图12所示。然后，将四个电源模块安装于“田”字型框架与盖板所形成的四个方格空腔内，电源模块的下底面与弹性垫以面接触方式进行相接。在框架上安装后的四个电源模块总体示意图如图12所示。
主/备份电源的正极线、负极线从其侧面开槽引出，且通过C55/0812-18电缆分别连接到一个5芯的强电电连接器上(本实施例选用Airbon公司生产、型号规格为MM-2F2-005-P13-2200-ZLP的5芯强电电连接器)，强电电连接器设置在框架的外侧壁上，形成主/备份电源的充放电接口。
在电源模块内部还引出了一组电压检测线，用于检测每个电源模块分级的电压信号。电压检测线通过电缆连接后焊接在一个15芯电连接器上(本实施例选用贵州航天电器公司生产、型号规格为J30JHT15TJSAN01的15芯电连接器)，电连接器同样安装于框架的外侧壁上。
第6步，弹性块安装。
弹性块与弹性垫一样，也采用K216硅橡胶材料制成。弹性块呈长方体构型，其结构如图13和图14所示，而材料体系、结构尺寸及性能参数如表4所示。
表4弹性块的相关参数
组件 材料体系 硬度/A 外形尺寸/mm 厚度/mm
弹性块 K216硅橡胶 35～40 矩形，39×40 24
电源模块的四个侧面均通过弹性块与与框架之间以面接触方式相接，对于每根框架的边框或龙骨，均采用三个并列的弹性块进行连接，共计有3×4×4＝48个，弹性块与电源模块、框架之间均不存在固定连接关系。
在框架的内侧，对应于弹性块两侧根部界限处的位置(具体位置如图15所示)，还采用J133结构胶粘剂粘接有96个限位块(每个弹性块根部采用两个限位块，共计2×3×4×4＝96个)，如图15所示，限位块采用T300/E648纤维织物层合铺覆材料制作，尺寸为10mm×5mm×2mm，用于对弹性块进行限位。
安装好后，弹性块处于预压紧状态，电源模块在框架内部不能发生移动。
电源模块通过弹性块、弹性垫与主承力结构相接，构成减振系统。减振模块具有两个作用：管理内部电源模块的力学环境，以保护电源模块；同时通过弹性材料的自身变形耗散振动能量，减少振动在结构中的传递。减振原理如图16所示，本发明中的电源模块相当于该图中的减振元件，即具有质量为m2的振子，而弹性支撑相当于刚度为k的弹簧和阻尼系数为c的阻尼器。
系统的传递特性可表达为下式：
式中m1表示整个电能与力学管理多功能结构的质量，ω表示振动固有角频率。
那么在外界动载荷f1的激励下，结构的输出为：
因此，适当地选取减振元件的质量m2以及弹性支撑的刚度k，使k-ω2m2→0，那么结构的振动x1→0，x2≠0，即振动将由减振元件承担，通过减振元件的阻尼特性将振动衰减。
第7步，传感器粘接。
传感器包括温度传感器和加速度传感器，是为了获取结构内部温度和加速度信号，它们的具体安装位置如图17所示。共有8个温度传感器和8个加速度传感器，其型号如表5所示。
表5内部传感器的型号及编号
传感器名称 传感器型号 数量 对应的图中编号
温度传感器 MF501 8 WDC01-WDC08
加速度传感器 PCB352A21 8 JSDC01-JSDC08
温度传感器在图中对应的编号为WDC01～WDC08，编号为WDC01、WDC03、WDC05、WDC07的温度传感器粘接在电源模块外表面的侧壁处，而编号为WDC02、WDC04、WDC06、WDC08的温度传感器粘接在电源模块的内腔。传感器通过电连接器与外部连接。使用GD414型硅橡胶将温度传感器头部进行固定，温度传感器的引线从电源模块侧边引出后走电源模块的上表面，并通过C55/0114-26导线连接到一个作为检测接口的9芯弱电电连接器上(贵州航天电器生产，型号为J30JH)。
加速度传感器在图中对应的编号为JSDC01～JSDC08，安装位置位于框架的内侧壁和盖板的内表面，其中框架内侧壁共计6个，上、下盖板的内表面各有1个，具体位置为：编号为JSDC01的加速度传感器安装在边框Ⅴ的内侧壁，编号为JSDC02的加速度传感器安装在边框Ⅳ的内侧壁，编号为JSDC03的加速度传感器安装在下盖板的上表面，编号为JSDC04的加速度传感器安装在上盖板的下表面，编号为JSDC05的加速度传感器安装在边框Ⅰ的内侧壁，编号为JSDC06的加速度传感器安装在边框Ⅷ的内侧壁，编号为JSDC07的加速度传感器安装在边框Ⅳ的内侧壁，编号为JSDC08的加速度传感器安装在边框Ⅷ的内侧壁。安装时，在结构本体的相应位置上，先用J133胶粘接绝缘片，再将加速度传感器通过J133胶粘接在绝缘片上，以保证安装后的加速度传感器的壳体与多功能减振结构的本体完全绝缘。安装后将加速度传感器引线通过C55/0114-26导线连接到一个9芯的电连接器上(贵州航天电器生产，型号为J30JH)。
第8步，上盖板与弹性垫胶接。
同样采用J133结构胶粘剂，将上盖板与弹性垫粘接在一起，形成一体结构。
第9步，上盖板安装。
在框架的四个角点、中心位置以及边框和龙骨上开设安装螺孔，通过材料为钛合金TC-4R的结构安装螺钉及相应的平垫圈和弹簧垫圈，将上盖板紧固在框架上，这样便形成一个完整的电能与力学环境管理多功能结构，其组装好的整体示意图如图20所示。
上盖板安装后，弹性垫也处于预压紧状态，电源模块在框架内部不能发生移动。
第10步，导电铜箔和接地桩安装。
为使整个多功能结构的碳纤维表面具有导电一致性，对上盖板的上表面和下盖板的下表面均进行了打磨处理；然后，在上盖板上表面铺贴环形铜箔(见图18)，在下盖板下表面整面铺贴底层铜箔(本实施例中，该底层铜箔由若干50mm宽度的铜箔拼接而成，形成一个整体导电面，见图19)，而在框架侧壁均匀铺贴U形铜箔，该U形铜箔与环形铜箔和底层铜箔进行搭接(见图20)。
为使该多功能结构有效接地，最后将环形铜箔的四个角各连接到一个接地桩(见图20)，该接地桩的一端与电源模块的地线相连，另一端与航天器的系统结构地相连接。
本发明所述电能与力学环境管理多功能结构作为一种具有承载功能的结构，既可以直接取代原有的航天器舱板，也可以作为一种航天器舱内的承力板结构。在本实施例中，将本发明直接取代某航天器原有的一个舱板，其示意图如图21所示。
为进一步验证本发明的减振效果，在地面条件下开展加速度响应测试试验。如图17所示，分别在X轴方向上的A点、Y轴方向上的B点利用力锤敲击本发明的边框，通过测试计算机采集得到加速度传感器的响应信号。在X方向上敲击时得到加速度传感器1(JSDC01)和5(JSDC05)的加速度信号如图22所示；而在Y方向上敲击时得到加速度传感器2(JSDC02)和6(JSDC06)的加速度信号如图23所示。从图22和图23中可以看出，加速度传感器1的信号峰值明显大于加速度传感器5信号峰值，加速度传感器2的信号峰值明显大于加速度传感器6信号峰值，因此可以得出结论，敲击所产生的振动经过该多功能结构的传递后有明显衰减。
综上所述，本发明提供的电能与力学环境管理多功能结构，是一种集承载、减振、供蓄电、测量等功能于一体的结构，可实现结构质量的轻量化以及体积的小型化的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，包括一个主结构模块、四个可充/放电的电源模块、一套减振系统以及一套传感器模块；
所述主结构模块包括框架(10)、上盖板(11)和下盖板(12)；其中，所述框架(10)的整体外形呈田字构型，具有四个方格空腔，所述框架(10)具有关于x、y和z三轴的全方位对称性；所述下盖板(12)固定于所述框架(10)的底面；所述上盖板(11)固定于所述框架(10)的顶面；所述框架(10)、所述上盖板(11)和所述下盖板(12)组成主承力结构，具有结构承载的功能；
所述电源模块包括4个，分别记为电源模块Ⅰ(20)、电源模块Ⅱ(21)、电源模块Ⅲ(22)和电源模块Ⅳ(23)；每个所述电源模块通过弹性支撑以嵌埋方式设置于框架(10)、上盖板(11)和下盖板(12)所形成的封闭方格空腔内，并且，每个方格空腔内唯一安装1个所述电源模块；其中，弹性支撑包括弹性块(30)和弹性垫(31)；此外，电源模块的正、负极线通过强电电缆引出，连接到设置于所述框架(10)的外侧壁的强电电连接器(24)上形成充放电接口；所述电源模块既具有多次充电与多次放电的功能，又具有充当振子消耗振动能量的功能；
另外，每个所述电源模块的四周与用于容纳该电源模块的方格空腔壁之间设置有弹性块(30)；每个所述电源模块的底面与所述下盖板(12)之间设置有弹性垫(31)，每个所述电源模块的顶面与所述上盖板(11)之间也设置有弹性垫(31)；所述电源模块、所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)构成减振系统，相当于“弹簧-振子”模型，其中，所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)相当于具有一定刚度和阻尼的弹性支撑；所述电源模块相当于具有一定质量的振子，该减振系统一方面通过弹性支撑的变形吸振耗能，另一方面由作为振子的电源模块将结构振动能量转化为振子动能的方式来消耗振动能量，二者综合作用的结果降低了振动在多功能结构中的传递，并有效管理电源模块的力学环境；
所述传感器模块包括若干个温度传感器和若干个加速度传感器；其中，所述温度传感器设置于所述电源模块的内腔和外侧壁，用于监测所述电源模块的温度；所述加速度传感器设置于所述框架(10)的内壁、所述上盖板(11)的内壁和所述下盖板(12)的内壁，用于测量所述框架(10)、所述上盖板(11)和所述下盖板(12)的振动情况，为多功能结构内部电能与振动管理提供了检测与监控手段。
2.根据权利要求1所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，所述框架(10)采用两类空心方管连接装配而成，分别是位于四周的八根边框(10-1)和处于中心的四根龙骨(10-2)；
四根龙骨(10-2)通过十字型接头组成十字结构；
八根边框(10-1)分别命名为边框Ⅰ～边框Ⅷ，先将每两根边框通过L型接头组成L型结构，由此得到四个L型结构；
将四个L型结构与由四根龙骨构成的十字结构通过T型接头组合形成一个具有对称性的田字型框架。
3.根据权利要求2所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，所述龙骨(10-2)和所述边框(10-1)均采用碳纤维复合材料铺层而成，铺层方式为[±45/0/±45]2S；
所述十字型接头、所述L型接头和所述T型接头采用高比强度、低热膨胀系数的钛合金材料制成；所述十字型接头、所述L型接头和所述T型接头与边框(10-1)、龙骨(10-2)之间采用胶粘剂进行粘接。
4.根据权利要求2所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，在所述框架(10)的各转角处还采用结构胶粘剂粘接有L型的角片(10-3)，角片(10-3)由聚酰亚胺绝缘材料制作而成，用于对框架(10)装配连接处进行加强，同时具有绝缘作用；
在所述加速度传感器的安装处粘接有绝缘片(10-4)，该绝缘片也由聚酰亚胺绝缘材料制成，能够使加速度传感器与主结构模块之间绝缘。
5.根据权利要求1所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，所述上盖板(11)和所述下盖板(12)均采用上蒙皮/夹芯格板/下蒙皮构成的夹芯结构形式；
所述夹芯结构形式是指：按自上而下顺序，依次包括上蒙皮(11-1)、夹芯格板(11-2)和下蒙皮(11-3)；所述上蒙皮(11-1)和所述夹芯格板(11-2)之间采用胶粘剂进行连接，控制粘接胶层的厚度在0.1mm～0.2mm的范围；所述下蒙皮(11-3)和所述夹芯格板(11-2)之间采用胶粘剂进行连接，控制粘接胶层的厚度在0.1mm～0.2mm的范围；
其中，夹芯格板(11-2)为筋条网格形式，所述上蒙皮(11-1)和所述下蒙皮(11-3)均为面板形式，并且，所述上蒙皮(11-1)和所述下蒙皮(11-3)的结构尺寸和材料完全相同；
另外，所述上蒙皮(11-1)、所述夹芯格板(11-2)和所述下蒙皮(11-3)均采用碳纤维复合材料制成，所述上蒙皮(11-1)和所述下蒙皮(11-3)铺层方式为[0/±45/90/±45]S；所述夹芯格板(11-2)的铺层方式为[0/±45/90/0]2S。
6.根据权利要求1所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，所述上盖板(11)和所述下盖板(12)设计有多个规则排列的圆形排气孔，用作工艺过程和真空环境下结构内部气体的排出通道；
另外，所述下盖板(12)通过胶粘方式固定于所述框架(10)的底面；所述上盖板(11)通过螺钉以螺纹连接方式固定于所述框架(10)的顶面，螺钉安装孔位于所述框架(10)的四个角点、中心位置以及边框和龙骨上；螺钉采用热膨胀系数小的钛合金材料制作，适用于温差大且变化剧烈的工作环境。
7.根据权利要求1所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)所采用的材料为由高分子弹性材料乙烯基封端聚二甲基硅氧烷制成的材料，该材料的化学分子结构式为：
所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)既具有结构支撑电源模块的功能，还能够通过自身弹性变形达到耗散一部分振动能量的作用，具有保护电源模块的功能，同时还具有使电源模块与主结构模块绝缘及为电源模块散热的功能。
8.根据权利要求1所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，所述弹性块(30)和弹性垫(31)以预压方式进行安装，通过预压缩产生弹性力来实现对电源模块的弹性约束支撑；所述弹性块(30)呈长方体形状，所述弹性块(30)的一端与框架(10)的内侧面以面接触方式相接，不存在固接关系；所述弹性块(30)的另一端和电源模块的外侧面以面接触方式相接，不存在固接关系；
所述弹性垫(31)呈井字构型，一面通过胶粘剂与上盖板(11)的下表面和下盖板(12)的上表面粘接在一起，而另一面仅以面接触方式与电源模块的表面相接，也不存在固接关系；安装好后的弹性块(30)和弹性垫(31)均处于预压紧状态，具有结构支撑作用，能够使得静止状态下的电源模块在框架(10)内部保持位置确定。
9.根据权利要求1所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，在框架(10)的内侧，在每个弹性块(30)两侧根部界限处的位置，均采用结构胶粘剂粘接有限位块(32)，用于对弹性块(30)进行限位，使其不发生移动和错位。
10.根据权利要求1-9任一项所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，所述电源模块采用锂电池；
和/或
在所述电源模块的内部还引出若干电压检测线，并焊接到安装于框架(10)外侧壁的电连接器(33)上，形成一个用于检测每个电源模块分级的电压信号的检测接口；
和/或
所述上盖板(11)的上表面和下盖板(12)的下表面均进行了打磨处理，使整个多功能结构的碳纤维表面具有导电一致性；
在所述上盖板(11)的上表面铺贴有环形铜箔(50)；在下盖板(12)的下表面整面铺贴底层铜箔(51)，该底层铜箔(51)由若干一定宽度的铜箔拼接而成，形成一个整体导电面；在所述框架(10)的外侧壁均匀铺贴有U形铜箔(52)，该U形铜箔(52)与所述上盖板(11)上的环形铜箔(50)和下盖板(12)上的底层铜箔(51)进行搭接，使整个电能与力学环境管理多功能结构的导电性一致；
所述环形铜箔(50)的四个角还各安装了一个接地桩(53)，该接地桩(53)的一端与电源模块的地线相连，另一端与外部地相连接，通过该接地桩(53)使得该多功能结构整体有效接地。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Li Dongxu

Inventor after: Yin Changping

Inventor after: Wu Jun

Inventor after: Li Dezhan

Inventor before: Li Dongxu

Inventor before: Fan Caizhi

Inventor before: Yin Changping

Inventor before: Liao Yihuan

Inventor before: Liu Wang

Inventor before: Jiang Jianping

Inventor before: Hao Dong

Inventor before: Peng Chaoyi

Inventor before: Wu Jun

Inventor before: Li Dezhan

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
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