CN107972889A - 一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构 - Google Patents

一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，包括复合材料上蒙皮、复合材料下蒙皮、复合材料米字型加强筋、泡沫芯子、钛合金凸台和钛合金靠销，本发明创新性的采用了复合材料米字型网格加筋泡沫填充夹芯主体结构方案，在惯组及机体连接接口位置局部采用金属件，该方案在满足惯组安装结构的高刚度和高精度要求下，有效减轻安装结构重量，比传统同类型金属结构方案减重不少于20％。

Description

一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构
技术领域
本发明涉及一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，属于航空航天复合材料结构设计及成型技术领域。
背景技术
基于新型可重复使用空天飞行器中惯组仪器属于重要仪器，对任务的成败有着关键作用，惯组安装结构需要满足高刚度高精度要求，传统惯组安装结构多选用金属材料制造，为了满足惯组安装结构的高刚度要求，导致安装结构的重量较大，用于飞行器中会增加飞行器的重量，在飞行器总重量一定的情况下，将影响有效载荷的放置数量，进而影响可执行的任务量。
发明内容
本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，实现满足惯组仪器安装的高刚度高精度条件下的轻量化需求。
本发明的技术解决方案：
一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，包括复合材料上蒙皮、复合材料下蒙皮、复合材料米字型加强筋、泡沫芯子、钛合金凸台和钛合金靠销，复合材料上蒙皮、复合材料下蒙皮、复合材料米字型加强筋采用高模量碳纤维环氧树脂复合材料，复合材料上蒙皮、下蒙皮按照一定铺层顺序铺置为U型，泡沫芯子为三角形，在泡沫芯子外缠绕高模量碳纤维环氧树脂复合材料构成中间夹层单元，在中间夹层单元内预埋与机体结构及凸台连接的镶嵌件，中间夹层单元在下蒙皮上拼接组合形成中间夹层，使泡沫芯子外缠绕的复合材料构成复合材料米字型加强筋；上蒙皮置于中间夹层上，使上蒙皮、中间夹层及下蒙皮一体成型；用于连接惯组的钛合金凸台固定连接在镶嵌件上，在相邻两个钛合金凸台上设置钛合金靠销，确保惯组指向既定的测试方向。
复合材料上蒙皮、复合材料下蒙皮按照0/0/90/0/90/0/90/45/-45/90/0/90/0/90/0/0顺序进行铺层。
采用0°拉伸模量≥190GPa、0°压缩模量≥103GPa、弯曲模量≥96GPa的高模量碳纤维环氧树脂复合材料。
惯组安装结构的最大变形≤0.01mm，组合基频≥150Hz。
中间夹层单元内预埋与机体结构连接的镶嵌件位于加强筋的四周及中部两列位置。
用于连接同一惯组的四个钛合金凸台之间的平面度不大于0.02mm。
靠销安装后与凸台上表面垂直度不大于0.01mm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明创新性的采用了复合材料米字型网格加筋泡沫填充夹芯主体结构方案，在惯组及机体连接接口位置局部采用金属件，该方案在满足惯组安装结构的高刚度和高精度要求下，有效减轻安装结构重量，比传统同类型金属结构方案减重不少于20％。
附图说明
图1为本发明蒙皮位置示意图；
图2为本发明加强筋位置示意图；
图3为本发明凸台及靠销位置示意图；
图4为本发明一体成型工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
基于新型飞行器对结构的轻量化提出了更高的要求，多采用优化结构形式方法。本发明采用先进的低密度高模量碳纤维增强树脂基复合材料代替金属材料，同时采用共固化一体成型方式进一步减少装配重量。
本发明主体结构中上下蒙皮及加筋均采用高模量的M40/TDE-85E碳纤维环氧树脂复合材料，夹芯为PMI泡沫，采用共固化一体成型工艺，有效的减少了惯组安装结构的重量及紧固件重量；主体结构在采用高模量碳纤维基础上，采用米字型加筋加泡沫填充高刚度结构形式有效保证结构刚度；为了保证仪器安装的高精度要求，安装接口采用钛合金凸台方案，上表面为仪器安装面，底部与安装板主体结构连接，通过研磨保证仪器安装面的高精度要求，惯组安装结构与仪器的连接示意图，每组仪器设备通过4个螺栓与仪器安装凸台连接，并在其一侧边设置两个靠销进行定位，靠销与凸台光孔采用过盈配合。
具体结构如图1-3所示，包括复合材料上蒙皮1、复合材料下蒙皮2、复合材料米字型加强筋3、泡沫芯子4、钛合金凸台5和钛合金靠销6，复合材料上蒙皮1、复合材料下蒙皮2、复合材料米字型加强筋3采用0°拉伸模量≥190GPa、0°压缩模量≥103GPa、90°拉伸模量≥8.2GPa、90°压缩模量≥8GPa、弯曲模量≥96GPa的高模量碳纤维环氧树脂复合材料，复合材料上蒙皮1、复合材料下蒙皮2按照0/0/90/0/90/0/90/45/-45/90/0/90/0/90/0/0顺序进行铺层，铺置为U型，泡沫芯子4为三角形，在泡沫芯子外缠绕高模量碳纤维环氧树脂复合材料构成中间夹层单元，在中间夹层单元内预埋与机体结构及凸台5连接的镶嵌件，中间夹层单元在下蒙皮2上拼接组合形成中间夹层，使泡沫芯子外缠绕的复合材料构成复合材料米字型加强筋3；上蒙皮1置于中间夹层上，使上蒙皮1、中间夹层及下蒙皮2一体成型；用于连接惯组的钛合金凸台5固定连接在镶嵌件上，在相邻两个钛合金凸台5上设置钛合金靠销6，用于对惯组定位，确保惯组指向既定的测试方向(惯组通过建立三个相互正交的基准方向，测出飞行器的姿态角及加速度)，惯组安装结构的最大变形≤0.01mm，组合基频≥150Hz。
中间夹层单元内预埋与机体结构连接的镶嵌件位于加强筋3的四周及中部两列位置。用于连接同一惯组的四个钛合金凸台5之间的平面度不大于0.02mm。靠销与凸台采用过盈配合，靠销安装后与凸台上表面垂直度不大于0.01mm。
如图4所示，惯组安装板结构一体成型工艺步骤为：
1.首先检验原材料应具备出厂合格证，环氧树脂环氧值≥0.85；碳纤维束纱拉伸强度≥3000MPa，拉伸模量≥330GPa；
2.然后根据惯组安装板外形轮廓尺寸加工一套用于安装板结构一体成型的组合模具和用于安装定位的工装；
3.在模具上采用高模量碳纤维环氧树脂复合材料完成下蒙皮的铺设；
4.根据米字型加强筋形式机加三角形泡沫芯子，同时作为米字型加强筋成型模具；
5.在泡沫芯子外缠绕高模量碳纤维环氧树脂复合材料，折出翻边，构成中间夹层单元，在中间夹层单元内预埋与机体结构及凸台连接的镶嵌件，中间夹层单元按顺序在下蒙皮上拼接组合形成中间夹层，使泡沫芯子外缠绕的复合材料构成复合材料米字型加强筋；
6.铺设复合材料上蒙皮；
7.采用金属对模加压形式，在热压罐内完成惯组安装板主体结构的一体共固化成型；
8.采用胶接+机械连接的形式，将钛合金凸台与安装板连接，靠销与钛合金凸台连接，保证安装后靠销与凸台上表面垂直度不大0.01mm。通过研磨方式，保证用于连接同一惯组的四个钛合金凸台之间的平面度不大于0.02mm；
9.对产品结构的尺寸、重量、外观、质量等进行检验，按照《GJB1038.1A-90纤维增强塑料无损检测方法超声波检验》和《复合材料超声波探伤通用规程》执行。产品内部缺陷应在《Q/HBY024-2010复合材料制品探伤标准》允许范围内；
10.完成。
本发明创新性的采用了复合材料米字型网格加筋泡沫填充夹芯主体结构方案，在惯组及机体连接接口位置局部采用金属件，该方案在满足惯组安装结构的高刚度和高精度要求下，有效减轻安装结构重量，比传统同类型金属结构方案减重不少于20％。
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 (7)

1.一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，其特征在于，包括复合材料上蒙皮(1)、复合材料下蒙皮(2)、复合材料米字型加强筋(3)、泡沫芯子(4)、钛合金凸台(5)和钛合金靠销(6)，复合材料上蒙皮(1)、复合材料下蒙皮(2)、复合材料米字型加强筋(3)采用高模量碳纤维环氧树脂复合材料，复合材料上蒙皮(1)、下蒙皮(2)按照一定铺层顺序铺置为U型，泡沫芯子(4)为三角形，在泡沫芯子外缠绕高模量碳纤维环氧树脂复合材料构成中间夹层单元，在中间夹层单元内预埋与机体结构及凸台(5)连接的镶嵌件，中间夹层单元在下蒙皮(2)上拼接组合形成中间夹层，使泡沫芯子外缠绕的复合材料构成复合材料米字型加强筋(3)；上蒙皮(1)置于中间夹层上，使上蒙皮(1)、中间夹层及下蒙皮(2)一体成型；用于连接惯组的钛合金凸台(5)固定连接在镶嵌件上，在相邻两个钛合金凸台(5)上设置钛合金靠销(6)，确保惯组指向既定的测试方向。
2.如权利要求1所述的一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，其特征在于，复合材料上蒙皮(1)、复合材料下蒙皮(2)按照0/0/90/0/90/0/90/45/-45/90/0/90/0/90/0/0顺序进行铺层。
3.如权利要求1所述的一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，其特征在于，采用0°拉伸模量≥190GPa、0°压缩模量≥103GPa、弯曲模量≥96GPa的高模量碳纤维环氧树脂复合材料。
4.如权利要求1所述的一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，其特征在于，惯组安装结构的最大变形≤0.01mm，组合基频≥150Hz。
5.如权利要求1所述的一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，其特征在于，中间夹层单元内预埋与机体结构连接的镶嵌件位于加强筋(3)的四周及中部两列位置。
6.如权利要求1所述的一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，其特征在于，用于连接同一惯组的四个钛合金凸台(5)之间的平面度不大于0.02mm。
7.如权利要求1所述的一种高刚度高精度复合材料惯组安装结构，其特征在于，靠销安装后与凸台上表面垂直度不大于0.01mm。
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