CN107804485B - 一种全碳纤维复合材料器间支架 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全碳纤维复合材料器间支架，所有上接头通过交叉杆系与所有下接头固定连接，形成一个棱台状的支撑结构；并且每个接头都能够通过1根立杆和2根斜杆与相邻两个支架单元固连，组成一个稳定的四面体结构，满足了每个上接头承受各向载荷的需求；通过对每个接头进行合理构形，获得了杆件轴线交叉均通过一点而获得桁架杆系，减小了局部附加弯矩等载荷发生的可能；接头上设置空心管，与杆件采用套装胶结形式固连，进一步提高连接强度，承受更大载荷；由于所述支架采用了碳纤维接头、杆件作为主体，采用胶接连接，减轻了结构重量，减小了构件之间的热应力；采用了合理的结构杆件构形，提高了胶接的可靠性。

Description

一种全碳纤维复合材料器间支架
技术领域
本发明属于机械结构技术领域，具体涉及一种全碳纤维复合材料器间支架。
背景技术
在目前多数航天器支架结构中，为了减重，结构材料尽可能使用效率较高的碳纤维，支架杆件容易实现碳纤维成型，而接头复杂曲面构形的限制导致了接头适用碳纤维材料的例子较少，复杂构形碳纤维接头的设计及工艺成型技术成为迫切需求。
碳纤维编织等工艺的研究和发展，使得碳纤维编织接头在航天器结构中的应用越来越多。碳纤维编织材料具有较高的层间力学性能，比普通层压结构具有更好的抗冲击性能，对局部机加开孔影响力学性能的敏感度较低。同时，RTM工艺能够为碳纤维编织复合材料接头获得较好的型面精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种该支架能较好地适用于高精度、大承载、节点少、跨度大的航天器舱间、器间连接。
一种器间支架，包括至少3个支架单元以及相同数量的交叉接头(1)，相邻2个支架单元通过交叉接头(1)互连，形成闭合结构；
每个支架单元均包括1个上接头(2)，1个下接头(3)，2根斜上杆(4)、2根斜下杆(5)以及1根立杆(6)；针对任意一个支架单元，2根斜上杆(4)和立杆(6)的一端固连在上接头(2)上，且该3根杆的轴线过同一点；2个斜下杆(5)的一端以及立杆(6)的另一端固连在下接头(3)上，该3根杆的轴线过同一点；其中一根斜上杆(4)和其中一根斜下杆(5)的另一端固连在左侧的交叉接头(1)上，另一根斜上杆(4)和另一根斜下杆(5)的另一端固连在右侧的交叉接头(1)上；同一个交叉接头(1)所固连的两个相邻支架单元中，其中一个支架单元中的斜下杆(5)与邻居支架单元中的斜上杆(4)共线，该支架单元中的斜上杆(4)与相邻支架单元中的斜下杆(5)共线；
所有支架单元的上接头(2)共面，且所有下接头(3)共面。
较佳的，所述器间支架采用碳纤维复合材料。
较佳的，所述上接头(2)上加工有3个空心管，分别与2个斜上杆(4)和1个立杆(6)套装并胶结；连接处外表面采用碳纤维布包覆。
较佳的，所述上接头(2)为空心杯状。
较佳的，所述上接头(2)的上表面上设置有钛合金衬垫，用于与载荷设备连接。
较佳的，所述衬底为倒锥孔。
较佳的，所述下接头(3)上加工有3个空心管，分别与2个斜下杆(5)和1个立杆(6)套装并胶结；连接处外表面采用碳纤维布包覆。
较佳的，上接头(2)、下接头(3)以及交叉接头(1)均采用碳纤维编织RTM成型接头。
较佳的，所述下接头(3)具有一个球面，所述3个空心管固连在该球面上，轴线交汇于球面对应的球心。
较佳的，所述交叉接头(1)具有4个空心管，与其相连的2个斜上杆(4)和2根斜下杆(5)分别套接在该4个空心管上。
较佳的，所述斜上杆(4)、斜下杆(5)以及立杆(6)的端部均为斜切端面。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的器件支架，所有上接头通过交叉杆系与所有下接头固定连接，形成一个棱台状的支撑结构；并且每个接头都能够通过1根立杆和2根斜杆与相邻两个支架单元固连，组成一个稳定的四面体结构，满足了每个上接头承受各向载荷的需求；通过对每个接头进行合理构形，获得了杆件轴线交叉均通过一点而获得桁架杆系，减小了局部附加弯矩等载荷发生的可能；
2、接头上设置空心管，与杆件采用套装胶结形式固连，进一步提高连接强度，承受更大载荷；
3、由于所述支架采用了碳纤维接头、杆件作为主体，采用胶接连接，减轻了结构重量，减小了构件之间的热应力；采用了合理的结构杆件构形，提高了胶接的可靠性。
4、支架使用了碳纤维编织RTM成型接头，支架具有了承载能力大、外形精度高，局部机加适应能力强，接口设计适应能力强的优点；
5、上接头采用杯状接头，其较大空腔使支架获得了载荷连接分离装置的容纳与连接能力；
6、由于所述支架接头采用了环状钛合金衬垫，保护了碳纤维构件集中承载，提供了承载横向载荷的倒锥孔，满足了大载荷连接时所需要的平面度及位置度等几何精度需求，满足了金属衬垫可以拆卸置换的需求。
附图说明
图1为本发明的器件支架的结构示意图；
图2为本发明的器件支架中上接头的结构示意图；
图3为本发明的器件支架中下接头的结构示意图；
图4为本发明的器件支架中交叉接头的结构示意图；
图5为本发明的器件支架中上接头的剖面图。
其中，1-交叉接头，2-上接头，3-下接头，4-斜上杆，5-斜下杆，6-立杆。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
为实现航天器高精度、大承载、节点少、跨度大的航天器舱间、器间连接，本发明提出了一种全碳纤维器间支架，如图1所示，包括至少3个支架单元，相邻2个支架单元通过交叉接头1互连。
每个支架单元均包括1个上接头2，1个下接头3，2根斜上杆4、2根斜下杆5以及1根立杆6；针对任意一个支架单元，2根斜上杆4和立杆6的一端固连在上接头2上，且3根杆的轴线过同一点；2个斜下杆5的一端以及立杆6的另一端固连在下接头3上，该3根杆的轴线过同一点；其中一根斜上杆4和其中一根斜下杆5的另一端固连在左侧的交叉接头1上，另一根斜上杆4和另一根斜下杆5的另一端固连在右侧的交叉接头1上；同一个交叉接头1所固连的两个相邻支架单元中，其中一个支架单元中的斜下杆5与相邻支架单元中的斜上杆4共线，该支架单元中的斜上杆4与相邻支架单元中的斜下杆5共线；所有支架单元中的上接头2共面，且所有下接头3也共面。上接头2与载荷设备连接，下接头3固连在安装平台上。
本实施例中的器件支架具有4个支架单元，4个上接头2通过交叉杆系与4个下接头3固定连接，形成一个棱台结构；其中，每个接头都能够通过1根立杆和2根斜杆与相邻两个支架单元固连，组成一个稳定的四面体结构，满足了每个上接头承受各向载荷的需求。
本发明通过对每个接头进行合理构形，获得了杆件轴线交叉均通过一点而获得桁架杆系，减小了局部附加弯矩等载荷发生的可能。
所述碳纤维支架所有主要构件均为碳纤维复合材料，最大减轻了结构重量，构件之间连接完全采用胶接实现，最大减少了连接构件的数量，同种材料的粘接最大程度上地减小了热交变载荷带来的热应力，使构件能够适应更大的温度范围。
如图4所示，为了解决斜上杆2与斜下杆3平面内交汇连接的问题，使用了交叉接头1。交叉接头1具有4个交叉的空心管，其中两个共轴，另外两个空心管也共轴，与其相连的2个斜上杆和2根斜下杆分别套接在该4个空心管上。为了防止接头与杆件提前剥离，以及增加杆件、接头局部强度，所有杆件与接头连接处包裹一定范围和层数的碳布。
为了尽量增加胶接面积，提高连接强度以及减小构件尺寸，杆件均采用斜切端面的方法使杆件与接头处尽可能贴近接头连接支杆根部。
所述支架的所有接头采用了碳纤维编织RTM成型接头，利用编织件强度高、抗冲击、各向承载较均衡可设计的特点，满足了接头处载荷大、工况多的复杂载荷承载需求；利用RTM成型获得的构件外形尺寸精度高的特点，满足了支架尺寸装配精度要求高的需求；利用编织件强度对局部制孔不敏感的特点，满足接头局部安装附件或者留取操作通道的需求。
如图2所示，上接头2为杯状接头，分别提供了较大轴向空腔，满足了载荷设备连接分离装置的容纳与连接的需要。上接头2的外表面上加工有3个倾斜的空心管，分别与2个斜上杆和1个立杆套接。如图5所示，上接头2的上表面固连有环状钛合金衬垫，保护了碳纤维构件集中承载，提供了承载横向载荷的倒锥孔，满足了大载荷连接时所需要的平面度及位置度等几何精度需求，满足了金属衬垫可以拆卸置换的需求。
如图3所示，下接头3具有一个球面，3个空心管固连在该球面上，轴线交汇于球面对应的球心，3个空心管分别与2个斜下杆和1个立杆套接。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种器间支架，其特征在于，包括至少3个支架单元以及相同数量的交叉接头(1)，相邻2个支架单元通过交叉接头(1)互连，形成闭合结构；
每个支架单元均包括1个上接头(2)，1个下接头(3)，2根斜上杆(4)、2根斜下杆(5)以及1根立杆(6)；针对任意一个支架单元，2根斜上杆(4)和立杆(6)的一端固连在上接头(2)上，且该3根杆的轴线过同一点；2个斜下杆(5)的一端以及立杆(6)的另一端固连在下接头(3)上，该3根杆的轴线过同一点；其中一根斜上杆(4)和其中一根斜下杆(5)的另一端固连在左侧的交叉接头(1)上，另一根斜上杆(4)和另一根斜下杆(5)的另一端固连在右侧的交叉接头(1)上；同一个交叉接头(1)所固连的两个相邻支架单元中，其中一个支架单元中的斜下杆(5)与邻居支架单元中的斜上杆(4)共线，该支架单元中的斜上杆(4)与相邻支架单元中的斜下杆(5)共线；
所有支架单元的上接头(2)共面，且所有下接头(3)共面。
2.如权利要求1所述的一种器间支架，其特征在于，所述器间支架采用碳纤维复合材料。
3.如权利要求1所述的一种器间支架，其特征在于，所述上接头(2)上加工有3个空心管，分别与2个斜上杆(4)和1个立杆(6)套装并胶结；连接处外表面采用碳纤维布包覆。
4.如权利要求3所述的一种器间支架，其特征在于，所述上接头(2)为空心杯状。
5.如权利要求4所述的一种器间支架，其特征在于，所述上接头(2)的上表面上设置有钛合金衬垫，用于与载荷设备连接。
6.如权利要求5所述的一种器间支架，其特征在于，所述钛合金衬垫为倒锥孔。
7.如权利要求1所述的一种器间支架，其特征在于，所述下接头(3)上加工有3个空心管，分别与2个斜下杆(5)和1个立杆(6)套装并胶结；连接处外表面采用碳纤维布包覆。
8.如权利要求1所述的一种器间支架，其特征在于，上接头(2)、下接头(3)以及交叉接头(1)均采用碳纤维编织RTM成型接头。
9.如权利要求1所述的一种器间支架，其特征在于，所述下接头(3)具有一个球面，3个空心管固连在该球面上，轴线交汇于球面对应的球心。
10.如权利要求1所述的一种器间支架，其特征在于，所述交叉接头(1)具有4个空心管，与其相连的2个斜上杆(4)和2根斜下杆(5)分别套接在该4个空心管上。
11.如权利要求1所述的一种器间支架，其特征在于，所述斜上杆(4)、斜下杆(5)以及立杆(6)的端部均为斜切端面。
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