CN106586035B - 具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱，贮箱包括前底盖、前封头、箱筒段内外壁、后封头、后底盖和后底池壳，其特征在于，箱筒段外壁与箱筒段内壁之间设有加强筋构成三角形夹芯壁结构，其中，前封头与箱筒段内壁和箱筒段外壁的连接处以及后封头与箱筒段内壁和所述箱筒段外壁的连接处均构成Y型环三角形夹芯壁连接结构。本发明还公开了上述贮箱的加工方法，采用纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺。本发明主要利用在贮箱封头段与箱筒段连接处剪应力高的位置设置三角形夹芯壁结构，加强连接处的剪切强度，具有提高了贮箱轴向承载能力，减少结构装配复杂性，提高生产效率等效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温存储液体的贮箱及其加工方法，特别是指具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱，可替代传统铝-锂金属贮箱。应用于运载火箭中低温推进剂的盛放、前后部件的连接、弹体完整外形的保持等。
背景技术
国内制造出的液态推进剂贮箱普遍采用金属材料，目前航天部门为了实现运载火箭整体轻质化，采用如铝-锂合金等具有高比强度、高比刚度的先进铝合金[1]。金属贮箱的制造过程大体如下：对机械或化学铣切的网格形金属平板进行机械加工，填充聚乙烯方块，从而进行贮箱壁成型。壁板成型成适当的形状以后，将其装配在夹具上，采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接。接着，将拉伸成型的挤压角材对焊到贮箱筒壳的两端，分别用九块球面三角形瓜瓣对焊成两个箱底，并修整焊缝，得到整体贮箱结构[2]。
由于传统贮箱采用金属材料且制造过程涉及以下广泛的工艺：热处理、表面处理、钣金成形、化学铣切、机械加工、铆接、焊接等[2]。因此传统金属贮箱存在的主要缺陷有：结构质量大、工艺复杂多样、制造周期长、成本昂贵。
而由于碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强等优良性能，发达国家中复合材料贮箱的使用已经十分普遍。复合材料推进器贮箱成型工艺主要采用以下三种：手糊成型，缠绕成型和铺放成型。手糊成型是用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺敷，室温(或加温)、无压(或低压)条件下固化，脱模成制品的成型工艺方法。缠绕成型是将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑料制品的成型工艺过程[3]。铺放成型工艺采用有隔离衬纸的单向预浸带，在铺带头中完成预定形状的切割、定位，加热后按照一定设计方向在压辊作用下，直接铺叠到曲率半径较大且变化缓慢的模具表面[4]。
单独采用上述三种工艺存在以下缺陷：手糊成型的缺陷：生产效率低；产品质量不易控制、性能稳定性差；产品中纤维体分比低，力学性能差。纤维缠绕成型的缺陷：缠绕成型适应性小，不能缠绕任意结构形式的制品；缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，造价昂贵、技术要求高[3]。相比于以上成型技术，自动铺放成型技术是一种先进复合材料构件低成本、自动化、数字化制造技术。然而，自动铺放成型技术的关键在于需要有成型的自动铺放设备，国内相关研究尚处于起步阶段，只能完成一些结构简单或小尺寸复合材料结构，而大型复合材料结构还是以手工铺放成型为主，因此，国内制造工艺难以完成贮箱整体铺放成型[5]。
在贮箱构型方面，为了防止内部推进剂液体泄漏，国外成型的运载火箭复合材料推进剂贮箱通常在复合材料贮箱内部嵌入金属内衬结构。对于金属内衬复合材料贮箱，所含金属内衬不仅增加了贮箱的重量，同时，还要考虑金属内衬与复合材料贮箱内壁之间的连接问题。含内衬复合材料贮箱的设计一般采用网格理论，它忽略了树脂基体对整个复合材料层合板刚度的贡献，即认为纤维承受了全部的壳体薄膜应力[1]。在设计含金属内衬复合材料贮箱时，只需保证结构的强度要求，液体推进剂密封的功能性要求则由内衬来承担，即结构强度设计与液体推进剂的密封性功能设计是可分离的。
目前普遍采用的单壁桶状结构复合材料贮箱在复杂环境下工作时，由于受到热-力耦合载荷的影响，封头段与箱筒段之间连接处会产生较高的剪应力，导致贮箱结构渐进破坏，从而引发贮箱内推进剂的泄漏。且在火箭发射过程时贮箱会受到较大的轴向载荷，在箱筒段中0°铺层承受轴向载荷效果好，但缠绕工艺不能缠绕出0°铺层，因此需要增加复合材料贮箱箱筒段中小角度的铺层数量，而这会导致贮箱整体重量大，难以完成航天重量指标。
[参考文献]
[1]黄诚,雷勇军.大型运载火箭低温复合材料贮箱设计研究进展[J].宇航材料工艺,2015,45(2).
[2]熊焕.低温贮箱及铝锂合金的应用[J].导弹与航天运载技术,2001(6):33-40.
[3]复合材料工艺及设备[M],武汉理工大学出版社,1994.
[4]何亚飞,矫维成,杨帆,等.树脂基复合材料成型工艺的发展[J].纤维复合材料,2011(2):7-13.
[5]还大军.复合材料自动铺放CAD/CAM关键技术研究[D].南京航空航天大学,2010.
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱及其加工方法。本发明主要利用在贮箱封头段与箱筒段连接处剪应力高的位置设置三角形夹芯壁结构，加强连接处的剪切强度，以及采用复合材料缠绕加铺放胶接共固化成型技术制作，从而极大提高了贮箱轴向承载能力，减少结构装配复杂性，提高生产效率等效果。
本发明采用的技术手段如下：
一种具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱，所述贮箱包括前底盖、前封头、箱筒段内壁、设置在所述箱筒段内壁外侧的箱筒段外壁、后封头、后底盖和后底池壳，所述前底盖与所述前封头连接，所述后封头与所述后底盖连接，所述前封头、所述后封头通过胶层分别固定与所述箱筒段内壁的上下两端，所述后底盖和所述后底池壳螺栓连接；其特征在于，
所述箱筒段外壁与所述箱筒段内壁之间设有加强筋构成三角形夹芯壁结构，其中，所述前封头与所述箱筒段内壁和所述箱筒段外壁的连接处以及所述后封头与所述箱筒段内壁和所述箱筒段外壁的连接处均构成Y型环三角形夹芯壁连接结构；
所述Y型环三角形夹芯壁连接结构是设置在所述箱筒段内壁边缘向上下两端延伸预设的位置上，由前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部、箱筒段内壁边缘延伸部、箱筒段外壁边缘延伸部、橡胶薄膜胶接层和所述加强筋组成。
进一步地，所述箱筒段内壁与所述加强筋的夹角α为50°-80°。
进一步地，所述箱筒段内壁与所述加强筋的夹角α为60°-70°。
进一步地，所述前底盖、所述前封头、所述箱筒段内壁、所述加强筋、所述箱筒段外壁、所述后底盖、所述后底池壳和所述后封头均由碳纤维增强树脂基复合材料制成，尤其指IM7/977-3，IM7/977-2、T700/TDE-86以及AS4/3501-6碳纤维增强树脂基复合材料。
本发明还公开了一种上述具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱的加工方法，其特征在于，所述贮箱采用纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺，其中，所述前封头、所述后封头采用纤维缠绕成型工艺；所述箱筒段内壁和所述箱筒段外壁采用纤维铺放成型工艺；所述前底盖、所述后底盖、所述后底池壳和所述加强筋采用热压罐成型工艺。
进一步地，所述箱筒段内壁的铺层方式为[0/90/0]2s，总厚度为1.5mm-1.8mm，单层厚度0.125mm-0.15mm；所述箱筒段外壁的铺层方式为[0/90/0]4s，总厚度为3mm-3.6mm，单层厚度0.125mm-0.15mm；所述前封头和所述后封头的模数为1.54，其纤维铺层方式为[±55/±35]s，总厚度为1.0mm-1.2mm，单层厚度0.125mm-0.15mm。
进一步地，所述直通段内壁与所述箱筒段外壁之间的距离，即加强筋的垂直高度为20mm-40mm；所述加强筋与箱筒段内壁贴合宽度，即加强筋的水平宽度为10mm-20mm；所述加强筋内部开口的垂直高度为15mm-35mm，所述加强筋内部开口的水平宽度为3mm-8mm；相邻的两个构成三角形夹芯壁结构的所述加强筋组之间的距离为50mm-100mm。
进一步地，所述直通段内壁与所述箱筒段外壁之间的距离，即加强筋的垂直高度为30mm-35mm；所述加强筋与箱筒段内壁贴合宽度，即加强筋的水平宽度为13mm-17mm；所述加强筋内部开口的垂直高度为25mm-30mm，所述加强筋内部开口的水平宽度为4mm-5mm；相邻的两个构成三角形夹芯壁结构的所述加强筋组之间的距离为70mm-90mm。
本发明具有以下优点：
1.本发明采用复合材料缠绕加铺放胶接共固化成型技术，无需焊接成型，最大程度的减少组件数量和结构装配的复杂性，大幅度缩短了制造周期且提高了生产效率。
2.本发明适用于存储运载火箭的低温推进剂，针对贮箱封头段和箱筒段连接处剪应力高的情况，将连接处设置在箱筒段内壁边缘向上下两端延伸的预设位置，并用橡胶薄膜胶接层对封头段与Y型环连接界面之间进行连接，使连接处剪应力峰值减小一半。同时，将Y型环和直筒壁内外壁设计成三角形夹芯壁也可提高结构承载性能并减轻结构重量。
3.复合材料贮箱箱筒段采用铺放成型工艺，可以完成0°铺层的制造，在铺层数目相同的情况下，极大的提高了贮箱轴向承载能力。同时，应用三角形夹心壁结构可以在保证贮箱轴向承载能力时，通过减少箱筒段铺层数目，最大限度的减轻复合材料贮箱的重量。
4.本发明的复合材料内筒壁的铺层方式可良好的密封低温介质，节省了金属内衬的重量和设计成本，利于复合材料贮箱整体成型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构剖视图。
图2为本发明Y型环三角形夹芯壁结构的剖视图。
图3为本发明Y型环三角形夹芯壁结构的俯视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱，所述贮箱包括前底盖1、前封头2、箱筒段内壁4、设置在所述箱筒段内壁4外侧的箱筒段外壁9、后封头5、后底盖6和后底池壳7，所述前底盖1与所述前封头2连接，所述后封头5与所述后底盖6连接，所述前封头2、所述后封头5通过胶层分别固定与所述箱筒段内壁4的上下两端，所述后底盖6和所述后底池壳7螺栓连接；
如图2所示，所述箱筒段外壁9与所述箱筒段内壁4之间设有加强筋10构成三角形夹芯壁结构，其中，所述前封头2与所述箱筒段内壁4和所述箱筒段外壁12的连接处以及所述后封头5与所述箱筒段内壁4和所述箱筒段外壁12的连接处均构成Y型环三角形夹芯壁连接结构3；
所述Y型环三角形夹芯壁连接结构3是设置在所述箱筒段内壁4边缘向上下两端延伸预设的位置上，由前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部、箱筒段内壁边缘延伸部、箱筒段外壁边缘延伸部、橡胶薄膜胶接层8和所述加强筋10组成。其中，前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部是指前封头2或者后封头5的一部分延伸，箱筒段内壁边缘延伸部指箱筒段内壁4的部分边缘，箱筒段外壁边缘延伸部指箱筒段外壁9的两端的部分边缘。
所述箱筒段内壁4与所述加强筋10的夹角α为50°-80°，优选为60°-70°。
所述前底盖1、所述前封头2、所述箱筒段内壁4、所述加强筋10、所述箱筒段外壁9、所述后底盖6、所述后底池壳7和所述后封头5均由碳纤维增强树脂基复合材料制成。
一种具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱的加工方法，所述贮箱采用纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺，其中，所述前封头2、所述后封头5采用纤维缠绕成型工艺；所述箱筒段内壁4和所述箱筒段外壁9采用纤维铺放成型工艺；所述前底盖1、所述后底盖6、所述后底池壳7和所述加强筋10采用热压罐成型工艺。
所述箱筒段内壁4的铺层方式为[0/90/0]2s，总厚度为1.5mm-1.8mm，单层厚度0.125mm-0.15mm；所述箱筒段外壁9的铺层方式为[0/90/0]4s，总厚度为3mm-3.6mm，单层厚度0.125mm-0.15mm；所述前封头2和所述后封头5的模数为1.54，其纤维铺层方式为[±55/±35]s，总厚度为1.0mm-1.2mm，单层厚度0.125mm-0.15mm。
所述直通段内壁4与所述箱筒段外壁9之间的距离，即加强筋10的垂直高度为20mm-40mm，优选为30mm-35mm；所述加强筋10与箱筒段内壁4贴合宽度，即加强筋10的水平宽度为10mm-20mm，优选为13mm-17mm；所述加强筋10内部开口的垂直高度为15mm-35mm，优选为25mm-30mm，所述加强筋10内部开口的水平宽度为3mm-8mm，优选为4mm-5mm；相邻的两个构成三角形夹芯壁结构的所述加强筋10组之间的距离为50mm-100mm，优选为70mm-90mm。
实施例1
所述贮箱的纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺中缠绕成型工艺和铺放成型工艺如下：缠绕成型工艺：首先，选取贮箱封头形状的芯模，封头模数为1.54，芯模直径为2m-5m，顶端留有极孔，极孔直径为0.2m-0.5m。然后，在控制纤维张力和预定线型的条件下，选用12K单束碳纤维从极孔圆周上出发，沿着封头曲面上与极孔相切的曲线绕过封头，直至芯模表面均匀布满纤维为止，其中缠绕角度跟铺层中相同，分别为55°和35°。缠绕时芯模绕自身轴线匀速转动，导丝头按不超过0.9m/s的速率沿芯模轴线方向往复运动。最后，将带纤维的芯模浸入树脂，并在加热条件下，使之固化成型制成封头形状。
铺放成型工艺：尤其指自动铺放成型技术，即使用CNC纤维自动铺放机实现箱筒段内壁4和箱筒段外壁9的整体成型。通过在计算机上设定箱筒段内壁4的尺寸参数，包括其长度4m-6m、直径2m-5m、纤维体分比60％、铺层角度[0/90/0]2s、总厚度为1.5mm-1.8mm以及单层厚度0.125mm-0.15mm，箱筒段外壁9的尺寸参数，包括其长度4m-6m、直径2m-5m、纤维体分比60％、铺层角度[0/90/0]4s、总厚度为3.0mm-3.6mm以及单层厚度0.125mm-0.15mm，即可完成贮箱箱筒段的成型。本发明替代传统贮箱形状，所述的三角形夹芯壁采用拓扑优化技术得到构型，在满足贮箱与运载火箭间及贮箱整体承载能力要求的同时，最大限度地减轻了重量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱，所述贮箱包括前底盖(1)、前封头(2)、箱筒段内壁(4)、设置在所述箱筒段内壁(4)外侧的箱筒段外壁(9)、后封头(5)、后底盖(6)和后底池壳(7)，所述前底盖(1)与所述前封头(2)连接，所述后封头(5)与所述后底盖(6)连接，所述前封头(2)、所述后封头(5)通过胶层分别固定与所述箱筒段内壁(4)的上下两端，所述后底盖(6)和所述后底池壳(7)螺栓连接；其特征在于，
所述箱筒段外壁(9)与所述箱筒段内壁(4)之间设有加强筋(10)构成三角形夹芯壁结构，其中，所述前封头(2)与所述箱筒段内壁(4)和所述箱筒段外壁(9)的连接处以及所述后封头(5)与所述箱筒段内壁(4)和所述箱筒段外壁(9)的连接处均构成Y型环三角形夹芯壁连接结构(3)；
所述Y型环三角形夹芯壁连接结构(3)是设置在所述箱筒段内壁(4)边缘向上下两端延伸预设的位置上，由前封头边缘延伸部或后封头边缘延伸部、箱筒段内壁边缘延伸部、箱筒段外壁边缘延伸部、橡胶薄膜胶接层(8)和所述加强筋(10)组成。
2.根据权利要求1所述的具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱，其特征在于，所述箱筒段内壁(4)与所述加强筋(10)的夹角α为50°-80°。
3.根据权利要求2所述的具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱，其特征在于，所述箱筒段内壁(4)与所述加强筋(10)的夹角α为60°-70°。
4.根据权利要求2所述的具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱，其特征在于，所述前底盖(1)、所述前封头(2)、所述箱筒段内壁(4)、所述加强筋(10)、所述箱筒段外壁(9)、所述后底盖(6)、所述后底池壳(7)和所述后封头(5)均由碳纤维增强树脂基复合材料制成。
5.一种权利要求1或4所述的具有三角形夹芯壁的运载火箭低温复合材料贮箱的加工方法，其特征在于，所述贮箱采用纤维缠绕成型结合纤维铺放成型胶接共固化整体成型工艺，其中，所述前封头(2)、所述后封头(5)采用纤维缠绕成型工艺；所述箱筒段内壁(4)和所述箱筒段外壁(9)采用纤维铺放成型工艺；所述前底盖(1)、所述后底盖(6)、所述后底池壳(7)和所述加强筋(10)采用热压罐成型工艺。
6.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于，所述箱筒段内壁(4)的铺层方式为[0/90/0]2s，总厚度为1.5mm-1.8mm，单层厚度0.125mm-0.15mm；所述箱筒段外壁(9)的铺层方式为[0/90/0]4s，总厚度为3mm-3.6mm，单层厚度0.125mm-0.15mm；所述前封头(2)和所述后封头(5)的模数为1.54，其纤维铺层方式为[±55/±35]s，总厚度为1.0mm-1.2mm，单层厚度0.125mm-0.15mm。
7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，所述箱筒段内壁(4)与所述箱筒段外壁(9)之间的距离，即加强筋(10)的垂直高度为20mm-40mm；所述加强筋(10)与箱筒段内壁(4)贴合宽度，即加强筋(10)的水平宽度为10mm-20mm；所述加强筋(10)内部开口的垂直高度为15mm-35mm，所述加强筋(10)内部开口的水平宽度为3mm-8mm；相邻的两个构成三角形夹芯壁结构的所述加强筋(10)组之间的距离为50mm-100mm。
8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于，所述箱筒段内壁(4)与所述箱筒段外壁(9)之间的距离，即加强筋(10)的垂直高度为30mm-35mm；所述加强筋(10)与箱筒段内壁(4)贴合宽度，即加强筋(10)的水平宽度为13mm-17mm；所述加强筋(10)内部开口的垂直高度为25mm-30mm，所述加强筋(10)内部开口的水平宽度为4mm-5mm；相邻的两个构成三角形夹芯壁结构的所述加强筋(10)组之间的距离为70mm-90mm。
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