CN106915474A - 一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，包括：蒙皮，以及，设置在蒙皮的其中一面的多个米字帽形梁、中心开口C形梁、多个设备安装C形梁、多个补强片，以及，设置在蒙皮的另一面的多个金属加强块；多个设备安装C形梁均布在中心开口C形梁的四周；中心开口C形梁通过补强片与各个设备安装C形梁连接；设备安装C形梁两两之间通过米字帽形梁连接；中心开口C形梁与蒙皮之间通过米字帽形梁连接；米字帽形梁和蒙皮形成封闭横截面。本发明所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，降低了结构重量、提高了结构的承载能力和使用温度。

Description

一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构

技术领域

本发明属于航天技术领域，尤其涉及一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构。

背景技术

卫星主承力结构主要有两大功能：(1)提供总体构型并为仪器设备提供安装支撑；(2)有足够强度承受发射载载荷并保证必要的刚度和尺寸稳定性。上述两大功能对卫星结构往往会提出相反的设计需求：为满足总体构型、尽可方便仪器安装支撑，需要提供尽可能大的安装空间、保证尽可能好的开敞性和重复拆装性能；为保证有足够的强度和刚度，希望结构尽可能紧凑、尽量避免开敞式结构、尽量采用刚性较好的结构连接方式并尽可能减少拆装次数。在具体应用中，目前采用的卫星主承力结构大多属于上述两种相互矛盾需求的折中。

其中，卫星主承力结构按照承力方式可以分为：中心承力筒结构、杆系结构、箱板结构、壳体结构。中心承力筒结构有利于保证结构强度和刚度，对设备安装适应性以及设备安装空间利用率较差；杆系结构对设备安装适应性较好，但承载和结构刚度相对较差；箱板式结构能提供更多的设备安装面，但需要通过较多的法向支撑结构提供结构板的法向承载能力；壳体结构相对箱板式结构能通过壳体曲率提供更好的法向刚度，结合加强筋设计提高局部承载能力，但现有壳体结构大多为金属加筋壳、蜂窝夹层壳；但是，金属加筋壳重量代价较大，蜂窝夹层壳则存在耐高温性能较差的缺点。

如何降低卫星主承力结构的结构重量、提高承载能力和使用温度，是本领域技术人员亟需解决的问题之一。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，降低了结构重量、提高了结构的承载能力和使用温度。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，包括：蒙皮、多个米字帽形梁、中心开口C形梁、多个设备安装C形梁、多个补强片和多个金属加强块；

所述多个米字帽形梁、中心开口C形梁、多个设备安装C形梁和多个补强片均设置在所述蒙皮的其中一面；

所述多个设备安装C形梁均布在所述中心开口C形梁的四周；

所述中心开口C形梁通过补强片与各个设备安装C形梁连接；

设备安装C形梁两两之间通过米字帽形梁连接；

中心开口C形梁与蒙皮之间通过米字帽形梁连接；

米字帽形梁和蒙皮形成封闭横截面；

多个金属加强块分别设置在所述蒙皮的另一面、多个米字帽形梁的交叉点的对应位置处。

在上述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构中，所述蒙皮、多个米字帽形梁、中心开口C形梁、多个设备安装C形梁和多个补强片采用耐高温碳纤维增强树脂高温一体固化成型。

在上述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构中，设备安装C形梁包括依次编号的第1-12设备连接点；米字帽形梁包括交叉设置的四个方向的四组加强筋；

其中，

第1-3设备连接点分别与其中一个米字帽形梁的相邻的三组加强筋的一端连接；

第4设备连接点位于补强片处；

第5-7设备连接点分别与另一个米字帽形梁的相邻的三组加强筋的一端连接；

第8-12设备连接点分别与蒙皮连接。

在上述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构中，各个设备连接点上分别设置有金属连接件。

在上述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构中，各个设备安装C形梁分别与大质量设备连接；

各个金属连接件分别与小质量设备连接。

在上述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构中，在米字帽形梁的帽形顶部，四组加强筋在厚度方向交叉错开设置。

在上述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构中，各个米字帽形梁的横截面高度为30mm，底部宽度为25mm，顶部宽度为20mm，侧面厚度为2mm，顶部厚度为4mm。

在上述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构中，所述蒙皮为八棱柱截取得到的球冠，球冠高度为168mm；

所述蒙皮的平均厚度为1mm，所述蒙皮的平面内投影尺寸为1700mm×1700mm。

在上述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构中，各个金属加强块上设置有对外的机械接口和载荷传递接口。

在上述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构中，所述多个米字帽形梁包括：第一米字帽形梁、第二米字帽形梁、第三米字帽形梁和第四米字帽形梁；

所述多个设备安装C形梁包括：第一设备安装C形梁、第二设备安装C形梁、第三设备安装C形梁和第四设备安装C形梁；

所述多个补强片包括：第一补强片、第二补强片、第三补强片和第四补强片；

所述多个金属加强块包括：第一金属加强块、第二金属加强块、第三金属加强块和第四金属加强块。

本发明具有以下优点：

(1)本发明所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，采用一体固化成型碳纤维增强树脂复合材料，减轻了结构重量。

(2)本发明所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，采用蒙皮和加强筋通过高温一体成型，提高了结构的使用温度。

(3)本发明所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，采用横截面封闭的加强筋并对帽形梁顶部增厚，提高了结构的稳定性和承载能力。

(4)本发明所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，合理设计加强筋走向以及加强筋交叉点，保证纤维沿着承载方向连续，能在有限的重量代价下进一步提高结构的承载能力。

附图说明

图1是本发明实施例中一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构的正面投影图；

图2是本发明实施例中一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构的背面投影图；

图3是本发明实施例中一种米字帽形梁的横截面图；

图4是本发明实施例中一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构的侧面投影图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

在本实施例中，所述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，采用碳纤维增强树脂材料设计，降低了结构重量。所述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构的壳体设计为蒙皮加筋结构，并依据实际尺寸约束，设计合适的曲率，提高了所述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构整体法向刚度和承载能力。此外，为提高使用温度，选用耐高温的树脂，并将加强筋和蒙皮通过高温固化成一体。

其次，所述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，在承受集中载荷和对外接口处都设计有加强筋，在生产工艺可行的前提下加强筋与蒙皮形成封闭横截面；当加强筋有交叉时，结合载荷传力方向设计纤维方向，保证交叉点各个方向加强筋都有纤维连续的铺层，通过加强筋实现传力和保持加筋壳法向刚度，通过蒙皮保证加筋壳在壳体面内的强度和刚度。

参照图1，示出了本发明实施例中一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构的正面投影图。参照图2，示出了本发明实施例中一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构的背面投影图。在本实施例中，所述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，包括：蒙皮1、多个米字帽形梁、中心开口C形梁3、多个设备安装C形梁、多个补强片和多个金属加强块。

其中，需要说明的是，所述蒙皮、多个米字帽形梁、中心开口C形梁、多个设备安装C形梁和、多个补强片采用耐高温碳纤维增强树脂高温一体固化成型。米字帽形梁、设备安装C形梁、补强片和金属加强块的具体数量可以根据实际情况设置，本实施例对此不作限制。

为了便于理解，下面以一定数量的米字帽形梁、设备安装C形梁、补强片和金属加强块为例，对所述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构进行详细说明。

如图1，所述多个米字帽形梁包括：第一米字帽形梁201、第二米字帽形梁202、第三米字帽形梁203和第四米字帽形梁204。所述多个设备安装C形梁包括：第一设备安装C形梁401、第二设备安装C形梁402、第三设备安装C形梁403和第四设备安装C形梁404。所述多个补强片包括：第一补强片501、第二补强片502、第三补强片503和第四补强片504。如图2，所述多个金属加强块包括：第一金属加强块601、第二金属加强块602、第三金属加强块603和第四金属加强块604。

在本实施例中，所述多个米字帽形梁、中心开口C形梁3、多个设备安装C形梁和多个补强片均设置在所述蒙皮1的其中一面。也即，第一米字帽形梁201、第二米字帽形梁202、第三米字帽形梁203、第四米字帽形梁204、中心开口C形梁3、第一设备安装C形梁401、第二设备安装C形梁402、第三设备安装C形梁403、第四设备安装C形梁404、第一补强片501、第二补强片502、第三补强片503和第四补强片504均设置在所述蒙皮1的其中一面。

所述多个设备安装C形梁均布在所述中心开口C形梁3的四周。如图1，第一设备安装C形梁401、第二设备安装C形梁402、第三设备安装C形梁403和第四设备安装C形梁404以中心开口C形梁3为中心对称设置。

所述中心开口C形梁3通过补强片与各个设备安装C形梁连接。如图1，中心开口C形梁3分别通过第一补强片501、第二补强片502、第三补强片503和第四补强片504与第一设备安装C形梁401、第二设备安装C形梁402、第三设备安装C形梁403和第四设备安装C形梁404连接。

设备安装C形梁两两之间通过米字帽形梁连接。如图1，第一设备安装C形梁401和第二设备安装C形梁402通过第一米字帽形梁201连接；第二设备安装C形梁402和第三设备安装C形梁403通过第二米字帽形梁202连接；第三设备安装C形梁403和第四设备安装C形梁404通过第三米字帽形梁203连接；第四设备安装C形梁404和第一设备安装C形梁401通过第四米字帽形梁204连接。

中心开口C形梁2与蒙皮1之间通过米字帽形梁连接。如图1，中心开口C形梁2分别通过第一米字帽形梁201、第二米字帽形梁202、第三米字帽形梁203和第四米字帽形梁204与蒙皮1连接。

米字帽形梁和蒙皮1形成封闭横截面。

多个金属加强块分别设置在所述蒙皮1的另一面、多个米字帽形梁的交叉点的对应位置处。如图2，第一米字帽形梁201、第二米字帽形梁202、第三米字帽形梁203和第四米字帽形梁204的交叉点的在蒙皮1的另一面(背面)的对应位置分别为位置1、位置2、位置3和位置4，第一金属加强块601、第二金属加强块602、第三金属加强块603和第四金属加强块604分别设置在所述蒙皮1的另一面位置1、位置2、位置3和位置4处。

在本发明的一优选实施例中，设备安装C形梁包括依次编号的第1-12设备连接点；米字帽形梁包括交叉设置的四个方向的四组加强筋。其中，第1-3设备连接点分别与其中一个米字帽形梁的相邻的三组加强筋的一端连接；第4设备连接点位于补强片处；第5-7设备连接点分别与另一个米字帽形梁的相邻的三组加强筋的一端连接；第8-12设备连接点分别与蒙皮连接。

例如，参照图1，以第一设备安装C形梁401、第一米字帽形梁201和第四米字帽形梁204为例：第一设备安装C形梁401包括依次编号的第1-12设备连接点：第1设备连接点001、第2设备连接点002、第3设备连接点003、···、第12设备连接点012。当然，设备连接点的数量可以根据实际情况设置，本实施例对此不作限制。第一米字帽形梁201包括：第一加强筋2011、第二加强筋2012、第三加强筋2013和第四加强筋2014。第四米字帽形梁204包括：第五加强筋2041、第六加强筋2042、第七加强筋2043和第八加强筋2044。

如图1，第1设备连接点001、第2设备连接点002和第3设备连接点003分别与第一米字帽形梁201的相邻的第一加强筋2011、第二加强筋2012和第三加强筋2013的一端连接；第4设备连接点004处设置有第一补强片501；第5设备连接点005、第6设备连接点006和第7设备连接点007分别与第四米字帽形梁204的相邻的第五加强筋2041、第六加强筋2042、第七加强筋2043的一端连接。

优选的，各个设备连接点上分别设置有金属连接件。

在本实施例中，各个设备安装C形梁分别与大质量设备连接，大质量设备的对应载荷从设备安装C形梁传递到蒙皮1和米字帽形梁上，并最终传递到蒙皮1背面的金属加强块上。各个金属连接件分别与小质量设备连接。小质量设备的对应载荷通过蒙皮1和设备安装C形梁传递到蒙皮1背面的金属加强块上。金属加强块提供整体结构对外接口，所有载荷最终都通过金属加强块传递出去。各个金属加强块上设置有对外的机械接口和载荷传递接口。本发明所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构特别适用于法向承载质量比大于3800N/kg的航天器壳体或者板式航天器结构。

在本实施例的一优选实施例中，在米字帽形梁的帽形顶部，四组加强筋在厚度方向交叉错开设置，保证了米字帽形梁每个方向都有连续纤维承载，提高了米字帽形梁的整体承载能力。

其中，需要说明的是，在本实施例中，蒙皮1、多个米字帽形梁、中心开口C形梁3、多个设备安装C形梁和多个补强片采用耐高温碳纤维增强树脂高温一体固化成型。

在本实施例中，还给出了一组优选的尺寸取值：

参照图3，示出了本发明实施例中一种米字帽形梁的横截面图。优选的，各个米字帽形梁的横截面高度H可以但不仅限于为30mm，底部宽度L₁可以但不仅限于为25mm，顶部宽度L₂可以但不仅限于为20mm，侧面厚度D₁可以但不仅限于为2mm，顶部厚度D₂可以但不仅限于为4mm。米字帽形梁的顶部相对于其他部位进行了加厚，提高了米字帽形梁整体的抗弯能力。

参照图4，示出了本发明实施例中一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构的侧面投影图。结合图1和4，在本实施例中，所述蒙皮1可以是从八棱柱截取得到的球冠，球冠高度h可以但不仅限于为168mm；蒙皮1的平均厚度d可以但不仅限于为1mm，蒙皮1的平面内投影尺寸可以但不仅限于为1700mm×1700mm。

在实际验证中，已设计出重量为11.6kg、承受45000N载荷、长期使用温度在200℃以上的所述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，所述轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构的承载能力已经通过试验验证。

综上所述，本发明所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，采用一体固化成型碳纤维增强树脂复合材料，减轻了结构重量。且，蒙皮和加强筋通过高温一体成型，提高了结构的使用温度。

其次，本发明所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，采用横截面封闭的加强筋并对帽形梁顶部增厚，提高了结构的稳定性和承载能力。

此外，本发明所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，合理设计加强筋走向以及加强筋交叉点，保证纤维沿着承载方向连续，能在有限的重量代价下进一步提高结构的承载能力。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，其特征在于，包括：蒙皮、多个米字帽形梁、中心开口C形梁、多个设备安装C形梁、多个补强片和多个金属加强块；

所述多个米字帽形梁、中心开口C形梁、多个设备安装C形梁和多个补强片均设置在所述蒙皮的其中一面；

所述多个设备安装C形梁均布在所述中心开口C形梁的四周；

所述中心开口C形梁通过补强片与各个设备安装C形梁连接；

设备安装C形梁两两之间通过米字帽形梁连接；

中心开口C形梁与蒙皮之间通过米字帽形梁连接；

米字帽形梁和蒙皮形成封闭横截面；

多个金属加强块分别设置在所述蒙皮的另一面、多个米字帽形梁的交叉点的对应位置处。

2.根据权利要求1所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，其特征在于，

所述蒙皮、多个米字帽形梁、中心开口C形梁、多个设备安装C形梁和多个补强片采用耐高温碳纤维增强树脂高温一体固化成型。

3.根据权利要求1所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，其特征在于，

设备安装C形梁包括依次编号的第1-12设备连接点；米字帽形梁包括交叉设置的四个方向的四组加强筋；

其中，

第1-3设备连接点分别与其中一个米字帽形梁的相邻的三组加强筋的一端连接；

第4设备连接点位于补强片处；

第5-7设备连接点分别与另一个米字帽形梁的相邻的三组加强筋的一端连接；

第8-12设备连接点分别与蒙皮连接。

4.根据权利要求3所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，其特征在于，

各个设备连接点上分别设置有金属连接件。

5.根据权利要求4所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，其特征在于，

各个设备安装C形梁分别与大质量设备连接；

各个金属连接件分别与小质量设备连接。

6.根据权利要求3所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，其特征在于，

在米字帽形梁的帽形顶部，四组加强筋在厚度方向交叉错开设置。

7.根据权利要求1所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，其特征在于，

各个米字帽形梁的横截面高度为30mm，底部宽度为25mm，顶部宽度为20mm，侧面厚度为2mm，顶部厚度为4mm。

8.根据权利要求1所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，其特征在于，

所述蒙皮为八棱柱截取得到的球冠，球冠高度为168mm；

所述蒙皮的平均厚度为1mm，所述蒙皮的平面内投影尺寸为1700mm×1700mm。

9.根据权利要求1所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，其特征在于，

各个金属加强块上设置有对外的机械接口和载荷传递接口。

10.根据权利要求1所述的轻量化碳纤维增强树脂复合材料加筋板壳主承力结构，其特征在于，

所述多个米字帽形梁包括：第一米字帽形梁、第二米字帽形梁、第三米字帽形梁和第四米字帽形梁；

所述多个设备安装C形梁包括：第一设备安装C形梁、第二设备安装C形梁、第三设备安装C形梁和第四设备安装C形梁；

所述多个补强片包括：第一补强片、第二补强片、第三补强片和第四补强片；

所述多个金属加强块包括：第一金属加强块、第二金属加强块、第三金属加强块和第四金属加强块。