CN107097979B - 一种环形复合材料贮箱结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高空间利用率和结构效率的环形复合材料贮箱结构，属于航天器减重技术领域。本发明包括中间复合材料贮箱、上连接裙、下连接裙、外部环形复合材料贮箱和圆台环状体连接件；所述中间复合材料贮箱的内部通过隔板分成两部，上部用于存储推进剂，在中间复合材料贮箱的底部向上穿过隔板形成内凹式结构，下部与内凹式结构之间用于存储氧化剂；上连接裙和下连接裙分别固定在中间复合材料贮箱的顶部和底部；外部环形复合材料贮箱设置在中间复合材料贮箱外部，外部环形复合材料贮箱内分为上下两部，上部用于存储推进剂，下部用于存储氧化剂；圆台环状体连接件用于固定连接外部环形复合材料贮箱和圆桶形贮箱壁。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天器承力结构，特别涉及一种环形复合材料贮箱，属于航天器减重技术领域。
背景技术
未来航天器的发展主要以低成本、高运载能力为目标，要达到这个目标首先要解决的是结构减重问题，而贮箱是飞行器主要的结构部件之一，也是减重的关键部件。美国的研究表明，要达到可重复使用飞行器的飞行要求，必须使净重/发射总重量≤0.092，0.092为净重比，传统的金属贮箱净重比高达0.097。而发动机的推重比随着净重的减少而逐渐提高，也就是说结构重量的减轻直接会提高推进系统的效率。虽然金属贮箱已经在各型航天器上获得大量的应用，但由于金属材料属于各向同性，所制备的贮箱都存在明显的强度富余，无法进一步减重。而碳纤维复合材料属于各向异性材料，具有比强度高、抗疲劳强度优良、破坏后无二次损伤的特点，最重要的是可以根据要求进行优化设计，使得在某一方向上具有最优承载的优势，有效减轻结构重量。通过金属贮箱与复合材料贮箱的重量对比可知，复合材料贮箱较金属贮箱减重达30％以上。因此，发展复合材料贮箱是实现航天系统减重目的的关键技术之一。
复合材料贮箱作为航天系统中的关键部件，其研制技术直接决定其性能，而其性能又对航天系统有很大的影响，如(1)贮箱结构效率：贮箱作为属于重量比例较大的结构部件，其结构效率直接影响航天器有效载荷；(2)贮箱可靠性:直接关系整个航天器的成功发射与在轨安全运行；(3)贮箱安全性：如果发生贮箱爆破的灾难性失效，产生的高压气体释放、金属或纤维束高速碎片将对航天器产生严重的破坏；(4)贮箱应力断裂寿命：直接影响航天器在轨工作寿命，合理的结构设计保证贮箱在服役期间满足相应的可靠度要求；(5)贮箱疲劳寿命：影响航天器重复使用贮箱的介质充填次数。因此，针对复合材料贮箱结构构型方案进行研究，结合复合材料结构的工艺特点和材料性能，提出有效、可行、具有工程可实现性的方案设计。
图1为现有常用的复合材料贮箱结构方案，结构承受的主要载荷通过梁框传递，贮箱a作为非主承力部件只承受飞行时自身及燃料过载以及贮箱增压压力。这个结构构型的特点是贮箱a通过连接裙悬挂在法兰连接框c上，只承受内压载荷。在法兰连接框c上同时通过复合材料锥体支架b直接支撑有效载荷法兰，对作为主承力部件的复合材料锥体支架b的刚度及重量要有较高要求。
还有一种承力式贮箱，贮箱也起到支撑有效载荷的作用，但是还要借助于传力支撑框架，且重量较大，结构效率低。
发明内容
本发明提供一种提高空间利用率和结构效率的环形复合材料贮箱结构。
本发明的一种环形复合材料贮箱结构，包括中间复合材料贮箱、上连接裙、下连接裙、外部环形复合材料贮箱和圆台环状体连接件；
所述中间复合材料贮箱包括圆桶形贮箱壁、隔板和内凹式结构；圆桶形贮箱壁的桶口朝下，隔板位于圆桶形贮箱壁的内部，将圆桶形贮箱壁的内部空间分成两部分，隔板的上部用于存储推进剂；
所述内凹式结构是以圆桶形贮箱壁的桶口向桶内延伸、穿过隔板的腔体，用于连接发动机；推进剂内凹式结构与隔板及下部对应的圆桶形贮箱壁三者组成的空间，用于存储氧化剂；
上连接裙和下连接裙分别固定在中间复合材料贮箱的顶部和底部；
外部环形复合材料贮箱设置在中间复合材料贮箱外部，外部环形复合材料贮箱内分为上下两部，上部用于存储推进剂，下部用于存储氧化剂；
圆台环状体连接件套在圆桶形贮箱壁的下部，且位于外部环形复合材料贮箱与圆桶形贮箱壁之间，圆台环状体连接件同时与外部环形复合材料贮箱和圆桶形贮箱壁固定连接。
优选的是，所述圆台环状体连接件为可自动拆卸结构。
优选的是，所述复合材料贮箱的环向和轴向的铺层比例为1：a，其中a的取值范围为0.5～1.5。
优选的是，所述内凹式结构采用铝合金焊接式预制结构或碳纤维模压结构。
优选的是，所述上连接裙和下连接裙在缠绕时均与复合材料贮箱一体成型。
优选的是，所述上连接裙和下连接裙均为采用加筋缠绕复合材料的承压筒。
优选的是，所述内部隔板在缠绕前将其用碳纤维织物预先成型，以预置体的方式作为模具放置在容器内部。
本发明的有益效果在于，本发明的贮箱主体包括中间复合材料贮箱1和外部环形复合材料贮箱，与只有一个贮箱的结构相比，容积增大了一倍，但总重量仅增加70％，这是由于其外部环形复合材料贮箱的圆筒段进一步增大，因此，相对提高了贮箱承载效率所致。同时，这种结构在外部环形复合材料贮箱内部的推进剂和氧化剂耗尽后，可以主动抛弃圆台环状体连接件，然后抛掉外部环形复合材料贮箱，可以在发射过程中进一步降低发动机的结构重量，在保证了空间利用率的同时，使得火箭的推重比进一步提高。
附图说明
图1为现有常用的复合材料贮箱的结构原理图。
图2为本发明的环形复合材料贮箱结构的原理图。
图3为图2的顶面结构原理图。
图4为图2的底面结构原理图。
图5为图2的侧面结构原理图。
图6为图5的分解示意图。
图7为图2的轴向剖面示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的一种环形复合材料贮箱结构，包括中间复合材料贮箱1、上连接裙2、下连接裙3、外部环形复合材料贮箱5和圆台环状体连接件6；
所述中间复合材料贮箱1包括圆桶形贮箱壁1-1、隔板1-2和内凹式结构1-3；圆桶形贮箱壁1-1的桶口朝下，隔板1-2位于圆桶形贮箱壁1-1的内部，将圆桶形贮箱壁1-1的内部空间分成两部分，隔板1-2的上部用于存储推进剂；
所述内凹式结构1-3是以圆桶形贮箱壁1-1的桶口向桶内延伸、穿过隔板1-2的腔体，用于连接发动机4；内凹式结构1-3与隔板1-2及下部对应的圆桶形贮箱壁1-1三者组成的空间，用于存储氧化剂；
上连接裙2和下连接裙3分别设置在复合材料贮箱的顶部和底部；上连接裙2和下连接裙3分别与有效载荷和火箭进行螺栓连接。
本实施方式推进剂和氧化剂箱一体式环形设计并且承受载荷的结构，这样能充分利用结构材料，减少结构的体积和质量，提升结构效率。为了降低贮箱承受的载荷，在贮箱上部贮存推进剂，下部存贮氧化剂，以减少内部隔板1-2所承受的压力。本实施方式的贮箱结构为了尽量降低轴向高度，采用内凹式结构1-3，将发动机4坐入贮箱内部以尽量降低轴向高度。
外部环形复合材料贮箱5套在圆桶形贮箱壁1-1的外部，圆台环状体连接件6套在圆桶形贮箱壁1-1的下部，且位于外部环形复合材料贮箱5与圆桶形贮箱壁1-1之间，外部环形复合材料贮箱5和圆桶形贮箱壁1-1通过圆台环状体连接件6固定连接。
本实施方式中为了对中间复合材料贮箱1的传力造成尽量少的影响，因此，使外部环形复合材料贮箱5与中间复合材料贮箱1采用圆台环状体连接件6在下连接裙3处进行螺栓连接。
本实施方式的外部环形复合材料贮箱5设置在中间复合材料贮箱1外部，外部环形复合材料贮箱5内分为上下两部，上部用于存储推进剂，下部用于存储氧化剂；
本实施方式的贮箱主体包括中间复合材料贮箱1和外部环形复合材料贮箱5，用于贮存推进剂和氧化剂，与只有一个贮箱1的结构相比，容积增大了一倍，但总重量仅增加70％，并且在环形贮箱排空后可以抛弃以进一步降低结构重量，因此，可以大大提高结构效率，同时为其他小型器材填充提供了空余空间，从而提高了空间利用率。
本实施方式的贮箱构型载荷传递情况为：在上升阶段，中间复合材料贮箱1的下连接裙3->中间复合材料贮箱1封头->中间复合材料贮箱1圆桶形贮箱壁1-1->中间复合材料贮箱1的上连接裙2->有效载荷。这部分载荷包括中间贮箱自重和有效载荷。
第二部分是外部环形复合材料贮箱5的自重，直接作用在圆台环状体连接件6。由于中间复合材料贮箱1和外部环形复合材料贮箱5的连接方式，在上升阶段两个贮箱其实属于分开受力。
在轨阶段，通过中间复合材料贮箱1内凹式结构1-3中的发动机4产生推力，推力通过内凹式结构1-3传递到下连接裙3至圆桶形贮箱壁1-1，再通过圆桶形贮箱壁1-1和上连接裙2传递至有效载荷。同时在下连接裙3处有一部分通过连接火箭的下法兰和圆台环状体连接件6传递至外部环形复合材料贮箱5。
由于在轨条件下发动机4的位置导致该条件下中间复合材料贮箱1和外部环形复合材料贮箱5通过连接火箭的下法兰和圆台环状体连接件6进行传力，为此，需要尽量降低下连接裙3的高度，避免出现失稳现象。
优选实施例中，圆台环状体连接件6与外部环形复合材料贮箱5活动连接。
本实施方式的外部环形复合材料贮箱为可拆卸结构，当其中的推进剂使用完后，可自动拆卸圆台环状体连接件6，然后抛掉外部环形复合材料贮箱，从而减少结构重量，有效提高结构效率。
本实施方式复合材料贮箱的设计方法：
对于复合材料贮箱，由于其厚度很薄，模量较低，因此在贮箱工作过程中，可以忽略金属内衬的承载作用，认为铝合金只起气密作用。复合材料贮箱在缠绕工艺过程中的缠绕线型设计和铺层顺序设计往往先于工艺设计，造成设计与工艺脱节。铺层优化设计的结果在工艺上往往无法满足纤维稳定的要求，导致优化设计的目标无法实现，需要重新设计，并进行大量的试验工艺摸索。通过对封头缠绕轨迹的计算，可以确定理论优化设计的边界条件，大幅度减少试错试验的数量，降低成本的同时，可以得到可行的最优方案。
复合材料贮箱在进行刚度优化设计时，通常会遇到封头建模不准确的问题，导致整体结构计算存在误差。同时以往设计缠绕线型，在封头上往往采用测地线或短程线来规划线型，因此，导致线型设计余地较小，线型受到芯模尺寸，封头型面等限制因素的控制。为了得到合理的线型，有时甚至需要修改内衬尺寸，造成大量的重复计算，这种现象在不等极孔贮箱的缠绕过程中尤其明显。通过求解缠绕轨迹在封头型面的稳定方程，配合缠绕角方程，可以有效的解决封头与筒身交接处缠绕角固定，导致线型设计困难的难题。在封头上推导出一个纤维可以进行稳定非测地线缠绕的区域，将使得在该区域内存在一个筒身缠绕角的变化范围，配合纤维缠绕不离缝不重叠条件，使得线型设计自由度大大增加，同时根据封头受力情况，改变封头上纤维轨迹走向，设计出更加符合封头受力的线型轨迹。
复合材料贮箱在封头处的缠绕层由于连续纤维缠绕的原因，在封头极孔附近将产生纤维堆积现象，这种纤维堆积将导致封头厚度出现不连续的非线性变化，极孔附近复合材料堆高限制法兰的设计尺寸，以及复合材料在缠绕过程中纤维滑线、架空等现象。此外，如何精确预测各种缠绕线型和缠绕层分布下的封头厚度分布，对复合材料封头有限元建模的精确性也影响极大。因此，通过对缠绕厚度的精确预测，同时对每种线型在封头上的轨迹分布进行精确计算后，可以得到每种线型在每个单元范围内的厚度堆积情况和缠绕角精确值，然后再逐点代入有限元单元中，可进行更加精确的有限元计算。
在以上工作的基础上，通过联用Ansys和迭代计算程序以及缠绕线型表，设计不同的缠绕线型，进而以应变均匀为设计目标，对各种允许线型下的变形情况进行计算并优选，达到封头的刚度优化设计，进而完成整个贮箱的设计。
另外，本实施方式的外部环形复合材料贮箱5还需要额外考虑环形容器的结构设计特点。
优选实施例中，所述内凹式结构1-3采用铝合金焊接式预制结构或碳纤维模压结构。
本实施方式中，贮箱内部的隔板在制备时应使得下部贮存氧化剂的箱体成为一个整体，由于考虑加注时可能存在先后顺序，因此其受力形式在设计时采用冗余设计，即既能承受内压载荷，同时可以单独承受上部贮存的燃料向下轴压，在此设计时同时考虑复合材料外压容器的设计。由于在工艺上要成型内部隔板1-2，需要在缠绕前将内部隔板1-2用碳纤维织物预先成型，以预置体的方式作为模具放置在贮箱内部，而碳纤维织物一般按照各向同性材料计算，因此，直接引用金属外压容器的各项设计理论进行厚度的初步设计，然后实际的隔板和内凹段优化厚度还需要通过有限元分析来进行优化计算。
优选实施例中，所述复合材料贮箱的环向和轴向铺层比例为1:0.5～1:1.5。由于在该环形复合材料贮箱结构构型中，贮箱作为承力部件，工作时不仅要承受内部燃料过载以及贮箱增压压力，而且还要在轴向上承受一定的载荷作用，所以，对于该环形复合材料贮箱构型，要增加一定的轴向铺层比例，通常将该贮箱环向和轴向的铺层比例设计为1:0.5～1:1.5较为合理。
优选实施例中，上连接裙和下连接裙在缠绕时均与复合材料贮箱一体成型。
优选实施例中，上连接裙和下连接裙均为采用加筋缠绕复合材料的承压筒。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此，应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (7)
1.一种环形复合材料贮箱结构，包括中间复合材料贮箱、上连接裙、下连接裙、外部环形复合材料贮箱和圆台环状体连接件；
所述中间复合材料贮箱包括圆桶形贮箱壁、隔板和内凹式结构；圆桶形贮箱壁的桶口朝下，隔板位于圆桶形贮箱壁的内部，将圆桶形贮箱壁的内部空间分成两部分，隔板的上部用于存储推进剂；
所述内凹式结构是以圆桶形贮箱壁的桶口向桶内延伸、穿过隔板的腔体，用于连接发动机；内凹式结构与隔板及下部对应的圆桶形贮箱壁三者组成的空间，用于存储氧化剂；
上连接裙和下连接裙分别固定在中间复合材料贮箱的顶部和底部；
外部环形复合材料贮箱设置在中间复合材料贮箱外部，外部环形复合材料贮箱内分为上下两部，上部用于存储推进剂，下部用于存储氧化剂；
圆台环状体连接件套在圆桶形贮箱壁的下部，且位于外部环形复合材料贮箱与圆桶形贮箱壁之间，外部环形复合材料贮箱和圆桶形贮箱壁通过圆台环状体连接件固定连接；
其特征在于，所述环形复合材料贮箱结构包括封头，该封头的刚度设计方法为：
步骤1：通过求解缠绕轨迹在封头型面的稳定方程，配合缠绕角方程，实现封头与筒身交接处缠绕角固定；
步骤2：在封头上推导出一个纤维可以进行稳定非测地线缠绕的区域，将使得在该区域内存在一个筒身缠绕角的变化范围，配合纤维缠绕不离缝不重叠条件，使得线型设计自由度大大增加，同时根据封头受力情况，改变封头上纤维轨迹走向，设计出更加符合封头受力的线型轨迹；
步骤3：通过对缠绕厚度的精确预测，同时对每种线型在封头上的轨迹分布进行精确计算后，可以得到每种线型在每个单元范围内的厚度堆积情况和缠绕角精确值，然后再逐点代入有限元单元中，可进行更加精确的有限元计算；
在以上步骤的基础上，通过联用有限元单元Ansys和迭代计算程序以及缠绕线型表，设计不同的缠绕线型，进而以应变均匀为设计目标，对各种允许线型下的变形情况进行计算并优选，达到封头的刚度优化设计，进而完成整个贮箱的设计。
2.根据权利要求1所述的一种环形复合材料贮箱结构，其特征在于，所述圆台环状体连接件为可自动拆卸结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种环形复合材料贮箱结构，其特征在于，所述复合材料贮箱的环向和轴向的铺层比例为1：a，其中a的取值范围为0.5～1.5。
4.根据权利要求3所述的一种环形复合材料贮箱结构，其特征在于，所述内凹式结构采用铝合金焊接式预制结构或碳纤维模压结构。
5.根据权利要求4所述的一种环形复合材料贮箱结构，其特征在于，所述上连接裙和下连接裙在缠绕时均与复合材料贮箱一体成型。
6.根据权利要求5所述的一种环形复合材料贮箱结构，其特征在于，所述上连接裙和下连接裙均为采用加筋缠绕复合材料的承压筒。
7.根据权利要求6所述的一种环形复合材料贮箱结构，其特征在于，所述隔板在缠绕前将其用碳纤维织物预先成型，以预置体的方式作为模具放置在容器内部。
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