CN108469382B - 碳纤维复合材料接头水压试验工装及其结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳纤维复合材料接头水压试验工装及其结构设计方法，该工装包括底架、前盖板、腔体、后盖板和吊环，底架上设有后盖板，腔体设于前盖板与后盖板间，后盖板通过下连接螺栓与腔体的下端连接，前盖板通过上连接螺栓与腔体的上端连接，前盖板、腔体、后盖板共同形成内室，内室内设有碳纤维复合材料接头，前盖板端面及侧面、腔体底面及与接头接触内壁上设有密封槽；该种碳纤维复合材料接头水压试验工装，通过设置前盖板、腔体、后盖板来形成内室，并将碳纤维复合材料接头通过连接螺栓固定在内室内进行试验，用于碳纤维复合材料接头性能的评价与验证。本发明能够保证试验结果的准确性，结构设计合理，便于使用。

Description

碳纤维复合材料接头水压试验工装及其结构设计方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料接头水压试验工装及其结构设计方法。

背景技术

复合材料压力容器由于具有重量轻、比强度、比模量高、耐腐蚀、可靠性高、失效模式安全、制造周期短、寿命长等一系列优点，已成为提高固体火箭发动机性能的决定性因素。而新型航天飞行器对材料的高效能、低成本、长寿命、高可靠性的要求，进一步推动了固体发动机壳体全复合材料化的发展，不仅仅包括发动机壳体的复合材料化，也包括接头的复合材料化。

目前，成熟的设计技术是基于金属接头和复合壳体组合，还未见全复合材料压力容器的设计方法，针对压力容器及其零部件性能评价验证，普通压力容器的评价验证主要是通过水压爆破的方法，已经比较完善；而对于全复合材料压力容器接头的验证方法目前尚未有相关研究报道，需要对其进行重点研究。本发明提供了一种碳纤维复合材料接头水压试验工装及其结构设计方法，用于碳纤维复合材料接头性能的评价与验证。

发明内容

为了克服全复合材料压力容器接头的验证难题，本发明提供一种碳纤维复合材料接头水压试验工装及其结构设计方法。

本发明的技术解决方案是：

一种碳纤维复合材料接头水压试验工装，包括底架、前盖板、腔体、后盖板和吊环，底架上设有后盖板，腔体设于前盖板与后盖板间，后盖板通过下连接螺栓与腔体的下端连接，前盖板通过上连接螺栓与腔体的上端连接，前盖板、腔体、后盖板共同形成内室，内室内设有碳纤维复合材料接头，前盖板通过顶部连接螺栓连接碳纤维复合材料接头，前盖板与碳纤维复合材料接头接触的端面密封槽内设有第一密封件，前盖板与碳纤维复合材料接头接触的侧面密封槽内设有第二密封件，腔体与碳纤维复合材料接头接触的内壁密封槽内设有第三密封件，腔体与后盖板接触的底面密封槽内设有第四密封件，前盖板中心处设有吊环。

进一步地，第一密封件与第二密封件、第三密封件、第四密封件结构相同，第一密封件包括密封槽和O形密封圈，O形密封圈设于密封槽内。

进一步地，密封槽采用矩形截面密封槽。

进一步地，腔体采用半椭球形腔体。

进一步地，前盖板设有若干走线口，走线口均匀环向设置。

一种上述任一项所述碳纤维复合材料接头水压试验工装的结构设计方法，包括以下步骤，

S1、根据输入条件，确定所设计水压试验工装结构承受的载荷工况；

S2、基于碳纤维复合材料接头理论外形及固体火箭发动机金属壳体设计原理，设计试验工装腔体形状及壁厚，初步确定腔体结构尺寸；

S3、根据腔体及接头结构初步确定前盖板和后盖板结构的参数，包括直径、厚度；

S4、基于固体火箭发动机壳体连接螺栓设计理论，计算前盖板与碳纤维复合材料接头、腔体与后盖板的连接螺栓的直径与数量，并选型；

S5、确定前盖板与碳纤维复合材料接头、腔体与碳纤维复合材料接头、腔体与后盖板间的密封件，基于壳体密封结构设计原理计算密封件尺寸并选型，然后计算密封槽尺寸；

S6、分析结构的可能失效模式，包含工装结构总体应力强度、零件局部应力强度、连接螺栓应力强度，并建立有限元模型进行强度校核，要求能够承受3倍以上试验工况载荷；

S7、强度分析结果至工装能够满足结构设计要求，否则参照强度分析结果，重复步骤S2-S6对结构进行优化设计；

S8、工装零部件结构细化及减重设计，至结构强度分析结果满足结构设计要求，得到最终的碳纤维复合材料接头水压试验工装，结构细化包括工装吊环、底架以及各零件之间的配合设计；减重设计的目标是碳纤维复合材料接头水压试验工装在保证强度与刚度满足要求的前提下尽量减重。

本发明的有益效果是：该种碳纤维复合材料接头水压试验工装及其结构设计方法，应用于全复材压力容器接头性能评价验证。该种碳纤维复合材料接头水压试验工装，通过设置前盖板、腔体、后盖板来形成内室，并将碳纤维复合材料接头固定在内室内进行试验，用于碳纤维复合材料接头性能的评价与验证。该种碳纤维复合材料接头水压试验工装，能够保证试验结果的准确性，结构设计合理，便于使用。

附图说明

图1是本发明实施例碳纤维复合材料接头水压试验工装的剖面示意图；

图2是本发明实施例碳纤维复合材料接头水压试验工装的结构示意图；

图3是本发明实施例中待验证的碳纤维复合材料接头的结构示意图；

图4是实施例中前盖板的顶部结构示意图；

图5是本发明实施例碳纤维复合材料接头水压试验工装的另一结构示意图。

其中：1-前盖板，2-腔体，3-后盖板，4-底架，5-吊环，6-碳纤维复合材料接头，7-上连接螺栓，8-顶部连接螺栓，9-下连接螺栓，10-内室，11-第一密封件，12-第二密封件，13-第三密封件，14-第四密封件，15-走线口。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种碳纤维复合材料接头6水压试验工装，如图1、图2和图5，包括底架4、前盖板1、腔体2、后盖板3和吊环5，底架4上设有后盖板3，腔体2摄影前盖板1与后盖板3间，后盖板3通过下连接螺栓9与腔体2的下端连接，前盖板1通过上连接螺栓7与腔体2的上端连接，前盖板1、腔体2、后盖板3共同形成内室10，内室10内设有碳纤维复合材料接头6，前盖板1的底部设有密封槽，前盖板1通过顶部连接螺栓8连接碳纤维复合材料接头6，前盖板1与碳纤维复合材料接头6接触的端面密封槽内设有第一密封件11，前盖板1与碳纤维复合材料接头6接触的侧面密封槽内设有第二密封件12，腔体2与碳纤维复合材料接头6接触的内壁密封槽内设有第三密封件13，腔体2与后盖板3接触的底面密封槽内设有第四密封件14，如图4，前盖板1的中心处设有吊环5。

该种碳纤维复合材料接头6水压试验工装，通过设置前盖板1、腔体2、后盖板3来形成内室10，并将碳纤维复合材料接头6固定在内室10内进行试验，用于碳纤维复合材料接头6性能的评价与验证。该种碳纤维复合材料接头6水压试验工装，能够保证试验结果的准确性，结构设计合理，便于使用。

实施例中，第一密封件11与第二密封件12、第三密封件13、第四密封件14结构相同，第一密封件11包括密封槽和O形密封圈，O形密封圈设于密封槽内。能够实现较好的密封效果，从而保证试验的准确性。

实施例中，密封槽采用矩形截面密封槽。腔体2采用半椭球形腔体2。前盖板1设有若干走线口15，走线口15均匀环绕吊环5设置。走线口15设计目的是为了将测试接头6性能的应变片接线引出。

实施例中需验证的碳纤维复合材料接头6结构如图3所示，水压试验载荷工况为受18MPa内压，工装材料选用45钢。

实施例的碳纤维复合材料接头6水压试验工装的结构设计方法，在设计初期，按照输入条件，基于固体火箭发动机金属壳体设计原理进行工装零部件的结构设计，接着建立有限元模型对初始模型进行强度计算并展开结构整体优化设计，根据优化设计结果确定较为合理的详细设计参数，最终得到相对较优的整体结构设计方案。

实施例的碳纤维复合材料接头6水压试验工装的结构设计方法，包括以下步骤：

S1、根据输入条件，确定所设计水压试验工装结构承受的载荷工况；

S2、根据碳纤维复合材料接头6上表面形面，如图3所示，基于固体火箭发动机金属壳体设计原理，设计试验工装腔体2形状及壁厚，本实施例中设计的腔体2形状为半椭球形；

S3、根据腔体2及碳纤维复合材料接头6的结构尺寸初步确定前盖板1和后盖板3结构参数，具体尺寸包括直径、厚度等；

S4、基于发动机壳体连接螺栓设计理论，计算上连接螺栓7与下连接螺栓9、顶部连接螺栓8的直径与数量并选型，计算螺栓数量时需选取1.5~3倍的安全系数。

S5、确定前盖板1与碳纤维复合材料接头6、腔体2与碳纤维复合材料接头6、腔体2与后盖板3间的密封件，密封件为采用O形密封圈与矩形截面密封槽，基于壳体密封结构设计原理计算O形密封圈尺寸并选型，然后根据O形密封圈型号计算密封槽的尺寸（槽宽和槽深），最后需对密封圈的压缩量进行验证计算；

S6、分析结构的可能失效模式，包含工装结构总体应力强度、零件局部应力强度，连接螺栓应力强度等，并建立有限元模型进行强度校核，要求能够承受3倍以上试验工况载荷；

S7、根据强度计算结果对工装结构进行优化设计，至工装强度分析结果能够满足结构设计要求，否则重复步骤S2-S6；

S8、工装零部件结构细化及减重设计，至结构强度分析结果满足结构设计要求，得到最终的碳纤维复合材料接头6水压试验工装，结构细化包括工装吊环5、底架4以及各零件之间的配合设计。图4中，前盖板1设有走线口15，设计目的是为了将测试接头6性能的应变片接线引出；图4中，前盖板1设有顶部连接螺栓8，设计目的是为了将碳纤维复合材料接头6与腔体2之间的密封圈压紧，保证密封效果。减重设计的目标是试验工装在保证强度与刚度满足要求的前提下尽量减重。实施例碳纤维复合材料接头6水压试验工装结构最终设计方案如图5所示。

Claims (6)

1.一种碳纤维复合材料接头水压试验工装，其特征在于：包括底架、前盖板、腔体、后盖板和吊环，底架上设有后盖板，腔体设于前盖板与后盖板间，后盖板通过下连接螺栓与腔体的下端连接，前盖板通过上连接螺栓与腔体的上端连接，前盖板、腔体、后盖板共同形成内室，内室内设有碳纤维复合材料接头，前盖板通过顶部连接螺栓连接碳纤维复合材料接头，前盖板与碳纤维复合材料接头接触的端面密封槽内设有第一密封件，前盖板与碳纤维复合材料接头接触的侧面密封槽内设有第二密封件，腔体与碳纤维复合材料接头接触的内壁密封槽内设有第三密封件，腔体与后盖板接触的底面密封槽内设有第四密封件，前盖板中心处设有吊环。

2.如权利要求1所述的碳纤维复合材料接头水压试验工装，其特征在于：第一密封件与第二密封件、第三密封件、第四密封件结构相同，第一密封件包括密封槽和O形密封圈，O形密封圈设于密封槽内。

3.如权利要求2所述的碳纤维复合材料接头水压试验工装，其特征在于：密封槽采用矩形截面密封槽。

4.如权利要求1所述的碳纤维复合材料接头水压试验工装，其特征在于：腔体采用半椭球形腔体。

5.如权利要求1所述的碳纤维复合材料接头水压试验工装，其特征在于：前盖板设有若干走线口，走线口均匀环向设置。

6.一种权利要求1-5任一项所述碳纤维复合材料接头水压试验工装的结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1、根据输入条件，确定所设计水压试验工装结构承受的载荷工况；

S2、基于碳纤维复合材料接头理论外形及固体火箭发动机金属壳体设计原理，设计试验工装腔体形状及壁厚，初步确定腔体结构尺寸；

S3、根据腔体及接头结构初步确定前盖板和后盖板结构的参数，包括直径、厚度；

S4、基于固体火箭发动机壳体连接螺栓设计理论，计算前盖板与碳纤维复合材料接头、腔体与后盖板的连接螺栓的直径与数量，并选型；

S5、确定前盖板与碳纤维复合材料接头、腔体与碳纤维复合材料接头、腔体与后盖板间的密封件，基于壳体密封结构设计原理计算密封件尺寸并选型，然后计算密封槽尺寸；

S6、分析结构的可能失效模式，包含工装结构总体应力强度、零件局部应力强度、连接螺栓应力强度，并建立有限元模型进行强度校核，要求能够承受3倍以上试验工况载荷；

S7、强度分析结果至工装能够满足结构设计要求，否则参照强度分析结果，重复步骤S2-S6对结构进行优化设计；

S8、工装零部件结构细化及减重设计，至结构强度分析结果满足结构设计要求，得到最终的碳纤维复合材料接头水压试验工装，结构细化包括工装吊环、底架以及各零件之间的配合设计；减重设计的目标是碳纤维复合材料接头水压试验工装在保证强度与刚度满足要求的前提下尽量减重。