CN106152874A - 夹层结构全复合材料发射筒 - Google Patents

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Abstract

本发明夹层结构全复合材料发射筒涉及一种具有夹层结构的全复合材料的发射筒。其目的是为了提供一种承载效率高、重量轻的夹层结构全复合材料发射筒。本发明夹层结构全复合材料发射筒包括筒段(1)以及与筒段固定连接的初容室(2)，所述筒段包括内筒(11)、外筒(13)和泡沫夹层(12)，所述泡沫夹层位于内筒和外筒之间，所述内筒和外筒的材料均为纤维预浸料，所述内筒与外筒的厚度比为1.2～1.4。

Description

夹层结构全复合材料发射筒
技术领域
本发明涉及一种发射筒，特别是涉及一种具有夹层结构的全复合材料的发射筒。
背景技术
发射筒是导弹武器系统的重要组成部分。为了提升导弹武器系统的机动性，国内各武器型号的发射筒呈现复合材料化趋势。现有的复合材料发射筒承载效率较低，重量较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种承载效率高、重量轻的夹层结构全复合材料发射筒。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，包括筒段以及与筒段固定连接的初容室，所述筒段包括内筒、外筒和泡沫夹层，所述泡沫夹层位于内筒和外筒之间，所述内筒和外筒的材料均为纤维预浸料，所述内筒与外筒的厚度比为1.2～1.4。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述内筒和外筒均通过纤维预浸料铺层形成，所述内筒的纤维预浸料铺层至少设为一层，所述外筒的纤维预浸料铺层也至少设为一层。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述内筒的纤维预浸料铺层包括第一内铺层、第二内铺层和第三内铺层，所述外筒的纤维预浸料铺层包括第一外铺层、第二外铺层和第三外铺层，所述第一内铺层和第一外铺层均沿筒段的轴向铺设，所述第二内铺层和第二外铺层均沿筒段的周向铺设，所述第三内铺层和第三外铺层均沿筒段的轴向与周向之间倾斜铺设。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述第三内铺层和第三外铺层均相对于筒段的轴向倾斜45°铺设，所述第一内铺层、第二内铺层以及第三内铺层的厚度百分比分别为33％、60％和7％，所述第一外铺层、第二外铺层以及第三外铺层的厚度百分比分别为70％、20％和10％。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述泡沫夹层的密度为0.13～0.15g/cm3，模量大于50MPa，强度大于1.5Mpa，导热系数小于0.04W/m.K。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述泡沫夹层的材料为硬质聚氨酯泡沫。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述初容室的一端设有端框，所述端框沿初容室的径向布置，初容室通过所述端框与筒段螺栓连接。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述端框包括依次铺设的机加余量层和端框铺层，所述机加余量层靠近所述筒段布置，所述端框铺层与初容室筒段铺层一体铺设，所述端框铺层的内部铺设有第一弧形加厚层，所述端框铺层外还铺设有第二弧形加厚层和L形加厚层，所述第二弧形加厚层和L形加厚层间隔铺设于端框铺层外，所述L形加厚层的一部分铺设于端框上，另一部分铺设于初容室的筒段铺层外。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述端框的铺设材料为玻璃纤维或碳纤维。
本发明夹层结构全复合材料发射筒与现有技术不同之处在于本发明中的筒段包括内筒、外筒和泡沫夹层，并且在内外筒之间设有泡沫夹层，所述内筒和外筒的材料均为纤维预浸料，所述内筒与外筒的厚度比为1.2～1.4，能够提升发射筒的承载效率，并且实现等强度设计，从而使发射筒的重量降低。
本发明夹层结构全复合材料发射筒中的第三内铺层和第三外铺层均相对于筒段的轴向倾斜45°铺设，所述第一内铺层、第二内铺层以及第三内铺层的厚度百分比分别为33％、60％和7％，所述第一外铺层、第二外铺层以及第三外铺层的厚度百分比分别为70％、20％和10％，这样能够进一步提升发射筒的承载效率，在内压工况下，内外筒体结构安全系数为1.8～1.9，在起竖集中载荷工况下，内外筒体结构安全系数为2～2.5，实现等强度设计，发射筒结构重量降低10％，能够适应批量化生产。
本发明夹层结构全复合材料发射筒中的泡沫夹层的密度为0.13～0.15g/cm3，模量大于50MPa，强度大于1.5Mpa，导热系数小于0.04W/m.K，这样能够使泡沫夹层的刚度和强度与内外筒体实现匹配，提高保温效果。
本发明夹层结构全复合材料发射筒中端框的结构，实现了初容室的筒体与端框的连续铺层，由原有的二次固化更改为一次成型，提高了成型效率，同时提高了端框的抗弯强度。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明夹层结构全复合材料发射筒的结构示意图；
图2为本发明夹层结构全复合材料发射筒筒段的内筒、外筒和泡沫夹层的结构示意图；
图3为本发明夹层结构全复合材料发射筒中的端框铺层示意图；
图4为图3中A处的局部放大图；
图5为本发明夹层结构全复合材料发射筒中的筒段与初容室的连接示意图；
图6为本发明夹层结构全复合材料发射筒中的端框铺层和L形加厚层从初容室筒体向端框铺设到弯折处时剪开并增加补料示意图；
图7为本发明夹层结构全复合材料发射筒的内压计算示意图；
图8为本发明夹层结构全复合材料发射筒的起竖集中载荷计算示意图。
具体实施方式
如图1所示，并结合图2所示，本发明夹层结构全复合材料发射筒，包括筒段1以及与筒段1固定连接的初容室2，所述筒段1包括内筒11、外筒13和泡沫夹层12，所述泡沫夹层12位于内筒11和外筒13之间，所述内筒11和外筒13的材料均为纤维预浸料，所述内筒11与外筒13的厚度比为1.2～1.4。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述内筒11和外筒13均通过纤维预浸料铺层形成，所述内筒11的纤维预浸料铺层至少设为一层，所述外筒13的纤维预浸料铺层也至少设为一层。在本实施例中，所述内筒11的铺层包括第一内铺层、第二内铺层和第三内铺层，所述外筒13的铺层包括第一外铺层、第二外铺层和第三外铺层，所述第一内铺层和第一外铺层均沿筒段1的轴向铺设，所述第二内铺层和第二外铺层均沿筒段1的周向铺设，所述第三内铺层和第三外铺层均沿筒段1的轴向与周向之间倾斜铺设。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述第三内铺层和第三外铺层均相对于筒段1的轴向倾斜45°铺设，所述第一内铺层、第二内铺层以及第三内铺层的厚度百分比分别为33％、60％和7％，所述第一外铺层、第二外铺层以及第三外铺层的厚度百分比分别为70％、20％和10％。
上述针对的是对本发明夹层结构全复合材料发射筒内外筒体的匹配性设计；如图2所示，内筒11厚度为t1，外筒13厚度为t2，内筒、外筒中间为泡沫夹层12；优化内筒11、外筒13筒体厚度t1：t2＝1.2～1.4，可提高承载效率。
所述第一内、外铺层均沿筒段1的轴向铺设，称之为0°铺层；所述第二内、外铺层均沿筒段1的周向铺设；称之为90°铺层；所述第三内、外铺层相对于筒段1的轴向倾斜45°铺设，称之为45°铺层。将第一内铺层、第二内铺层以及第三内铺层的厚度比设为n0°：n90°：n45°＝33％：60％：7％，以及将第一外铺层、第二外铺层以及第三外铺层的厚度比设为n0°：n90°：n45°＝70％：20％：10％，可提高承载效率。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述泡沫夹层12的密度为0.13～0.15g/cm3，模量大于50MPa，强度大于1.5Mpa，导热系数小于0.04W/m.K。
上述是对泡沫夹层12结构功能一体化设计，具体为：泡沫夹层12力学性能与内筒11、外筒13通过内压工况、起竖集中载荷工况进行耦合计算，计算的工况条件见图6～图7，确定泡沫所需的压缩强度、模量，在满足强度、模量的前提下，尽量减小泡沫密度，减小泡沫导热系数，使泡沫同时满足导热系数要求；经过优化，泡沫密度为ρ＝0.13～0.15g/cm3时，模量E＞50MPa，强度大于1.5Mpa，导热系数小于0.04W/m.K，能够满足要求。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述泡沫夹层12的材料为硬质聚氨酯泡沫。
如图3所示，并结合图4、5所示，本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述初容室2的一端设有端框21，所述端框21沿初容室2的径向布置，初容室2通过所述端框21与筒段1螺栓连接。
所述端框21包括依次铺设的机加余量层4和端框铺层8，所述机加余量层4靠近所述筒段1布置，所述端框铺层8与初容室筒段铺层3一体铺设，所述端框铺层8的内部铺设有第一弧形加厚层51，所述端框铺层8外还铺设有第二弧形加厚层52和L形加厚层6，所述第二弧形加厚层52和L形加厚层6间隔铺设于端框铺层8外，所述L形加厚层6的一部分铺设于端框21上，另一部分铺设于初容室的筒段铺层3外。
本发明夹层结构全复合材料发射筒，其中所述端框21的铺设材料为玻璃纤维或碳纤维，端框的铺设方法如下：
(1)铺层时，先在模具上铺设机加余量层4，再铺设端框铺层8，端框铺层8与初容室筒段铺层3一体铺设：先铺设初容室筒段铺层3，之后再弯折90°铺设端框铺层8，在弯折的时候，如图6所示，需要将铺层剪开并增加补料7，这样才能铺设出完整的端框铺层8。在端框铺层8铺设过程中，在其内部增加第一弧形加厚层51。
(2)在端框铺层8外依次铺设第二弧形加厚层52和L形加厚层6，直至厚度满足要求为止，第二弧形加厚层52仅铺设于端框21处，L形加厚层6的一部分铺设于端框21上，另一部分铺设于初容室的筒段铺层3外。在铺完初容室2筒体外的L形加厚层6后，需要弯折90°继续铺设端框21处的L形加厚层6，在弯折的时候，如图6所示，需要将L形加厚层6的弯折处剪开并增加补料7，这样才能铺设出位于端框21处的完整的L形加厚层6。
(3)待铺设材料固化后对端框21端面进行机加即可。
本发明中的内筒11与外筒13的厚度比为1.2～1.4，第一内、外铺层均沿筒段1的轴向铺设，第二内、外铺层均沿筒段1的周向铺设，第三内、外铺层均沿筒段1的轴向与周向之间倾斜铺设。如此能够提升发射筒的承载效率，并且实现等强度设计，从而使发射筒的重量降低。
本发明夹层结构全复合材料发射筒中的第三内、外铺层均相对于筒段1的轴向倾斜45°铺设，所述第一内铺层、第二内铺层以及第三内铺层的厚度百分比分别为33％、60％和7％，所述第一外铺层、第二外铺层以及第三外铺层的厚度百分比分别为70％、20％和10％，这样能够进一步提升发射筒的承载效率，在内压工况下，内外筒体结构安全系数为1.8～1.9，在起竖集中载荷工况下，内外筒体结构安全系数为2～2.5，实现等强度设计，发射筒结构重量降低10％，能够适应批量化生产。
本发明夹层结构全复合材料发射筒中的泡沫夹层12的密度为0.13～0.15g/cm3，模量大于50MPa，强度大于1.5Mpa，导热系数小于0.04W/m.K，这样能够使泡沫夹层12的刚度和强度与内外筒体实现匹配，提高保温效果。
本发明夹层结构全复合材料发射筒中的端框21的铺设方法，实现了初容室2的筒体与端框21的连续铺层，由原有的二次固化更改为一次成型，提高了成型效率，同时提高了端框21的抗弯强度，防止端框固化开裂。
如图7所示，并结合图8所示，根据发射筒设计要求所提出的内压P，起竖集中载荷F，开展发射筒筒体设计计算，通过仿真方法，得出筒体在两种设计工况下的结构安全系数，并以内筒、外筒厚度t1、t2以及内筒、外筒铺层比例n0°：n90°：n45°为自变量进行迭代优化，最终当内筒11、外筒13安全系数相同，并满足设计要求时，完成优化；确定内筒11、外筒13刚度、强度后，进行泡沫夹层12设计，通过内压和起竖集中载荷工况计算，确定泡沫模量、强度，同时进行筒体导热系数计算，当泡沫安全系数及发射筒整体导热系数满足设计要求时，完成泡沫优化。
筒段1成型时，在模具上先进行内筒体铺层并完成固化，再在内筒体外侧粘接泡沫，在泡沫外侧进行外筒体铺层并再次固化。
初容室2成型时，先在模具上铺设机加余量层4，再铺设初容室筒段铺层3，并向端框部分连续铺设，完成端框铺层8的铺设。在端框铺层8内部增加第一弧形加厚层51；在端框铺层8外依次铺设第二弧形加厚层52和L形加厚层6，直至厚度满足要求为止，第二弧形加厚层52仅铺设于端框21处，L形加厚层6的一部分铺设于端框21上，另一部分铺设于初容室的筒段铺层3外。待铺设材料固化后对端框21端面进行机加即可。
筒段1与初容室2单独成型后，通过端框21进行螺栓连接。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种夹层结构全复合材料发射筒，包括筒段(1)以及与筒段固定连接的初容室(2)，其特征在于：所述筒段包括内筒(11)、外筒(13)和泡沫夹层(12)，所述泡沫夹层位于内筒和外筒之间，所述内筒和外筒的材料均为纤维预浸料，所述内筒与外筒的厚度比为1.2～1.4。
2.根据权利要求1所述的夹层结构全复合材料发射筒，其特征在于：所述内筒(11)和外筒(13)均通过纤维预浸料铺层形成，所述内筒的纤维预浸料铺层至少设为一层，所述外筒的纤维预浸料铺层也至少设为一层。
3.根据权利要求2所述的夹层结构全复合材料发射筒，其特征在于：所述内筒(11)的纤维预浸料铺层包括第一内铺层、第二内铺层和第三内铺层，所述外筒(13)的纤维预浸料铺层包括第一外铺层、第二外铺层和第三外铺层，所述第一内铺层和第一外铺层均沿筒段(1)的轴向铺设，所述第二内铺层和第二外铺层均沿筒段的周向铺设，所述第三内铺层和第三外铺层均沿筒段的轴向与周向之间倾斜铺设。
4.根据权利要求3所述的夹层结构全复合材料发射筒，其特征在于：所述第三内铺层和第三外铺层均相对于筒段(1)的轴向倾斜45°铺设，所述第一内铺层、第二内铺层以及第三内铺层的厚度百分比分别为33％、60％和7％，所述第一外铺层、第二外铺层以及第三外铺层的厚度百分比分别为70％、20％和10％。
5.根据权利要求4所述的夹层结构全复合材料发射筒，其特征在于：所述泡沫夹层(12)的密度为0.13～0.15g/cm3，模量大于50MPa，强度大于1.5Mpa，导热系数小于0.04W/m.K。
6.根据权利要求5所述的夹层结构全复合材料发射筒，其特征在于：所述泡沫夹层(12)的材料为硬质聚氨酯泡沫。
7.根据权利要求6所述的夹层结构全复合材料发射筒，其特征在于：所述初容室(2)的一端设有端框(21)，所述端框沿初容室的径向布置，初容室通过所述端框与筒段(1)螺栓连接。
8.根据权利要求7所述的夹层结构全复合材料发射筒，其特征在于：所述端框(21)包括依次铺设的机加余量层(4)和端框铺层(8)，所述机加余量层靠近所述筒段(1)布置，所述端框铺层与初容室筒段铺层(3)一体铺设，所述端框铺层的内部铺设有第一弧形加厚层(51)，所述端框铺层外还铺设有第二弧形加厚层(52)和L形加厚层(6)，所述第二弧形加厚层和L形加厚层间隔铺设于端框铺层外，所述L形加厚层的一部分铺设于端框上，另一部分铺设于初容室的筒段铺层外。
9.根据权利要求8所述的夹层结构全复合材料发射筒，其特征在于：所述端框(21)的铺设材料为玻璃纤维或碳纤维。
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