CN110578618A - 一种用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料x型支架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，所述X型支架由复合材料铺层制备而成；所述X型支架包括呈中空状的主体和接头段；所述主体包括等直段、交叉段和过渡段；所述过渡段用于连接接头段和等直段，其截面形状和尺寸分别与两端的接头段和等直段适配；所述接头段用于与燃料储箱连接端框连接，呈弧形板状，弧度与燃料储箱连接端框弧度适配；所述交叉段位于所述X型支架的交叉位置，用于连接等直段。本发明提供的复合材料X型支架在显著降低支架重量的同时能够保证支架的承载能力和压缩稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及运载火箭结构设计技术领域，尤其是一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架。
背景技术
目前国内运载火箭发动机的燃料储箱连接结构主要采用金属支架，这是因为金属支架结构技术成熟，可靠性高，且金属支架与燃料储箱的金属端框连接容易实现。但是金属支架结构存在着重量大、承载效率低等缺点，随着复合材料的发展，在航空航天领域应用越来越广泛，复合材料在运载火箭中替换金属材料可以减重10～50％。但由于复合材料与金属材料的材料特点和力学性能存在显著差异，因此不能将原有的金属支架简单替换成复合材料支架。
发明内容
本发明提供一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架，用于克服现有技术中连接结构重量大等问题，实现连接结构重量的显著降低同时能满足使用要求。
为实现上述目的，本发明提出一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架，所述X型支架由复合材料铺层制备而成；所述X型支架包括呈中空状的主体和接头段；
所述主体包括等直段、交叉段和过渡段；
所述过渡段用于连接接头段和等直段，其截面形状和尺寸分别与两端的接头段和等直段适配；
所述接头段用于与燃料储箱连接端框连接，呈弧形板状，弧度与燃料储箱连接端框弧度适配；
所述交叉段位于所述X型支架的交叉位置，用于连接等直段。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明提出的用于连接燃料储箱的复合材料X型支架由复合材料铺层制备而成，显著降低了X型支架的重量；X型支架包括呈中空状的主体和接头段，呈中空状主体的设计可在大幅提高结构承载能力的同时，保持结构的压缩稳定性；接头段的设计以实现在实际使用过程中与燃料储箱连接端框的简单、牢固的连接；复合材料X型支架的X型设计能显著增强结构稳定性，同时缓解应力集中现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的复合材料X型支架示意图；
图2为本发明提供的复合材料X型支架与燃料储箱端框连接的示意图；
图3为实施例中的复合材料X型支架结构组成示意图；
图4为实施例中的复合材料X型支架内、外壳体的交叉段示意图；
图5为实施例中的复合材料X型支架等直段横截面示意图。
附图标号说明：1：接头段；2：等直段；3：交叉段；4：过渡段；5：上储箱；6：下储箱；7：内壳体；8：外壳体；9：中间板；10：圆角；11：接头片；12：增强片；13：螺栓孔。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
本实施例提出一种用于连接燃料储箱的复合材料X型支架，如图1所示，所述X型支架由复合材料铺层制备而成；所述X型支架包括呈中空状的主体和接头段1；
所述主体包括等直段2、交叉段3和过渡段4；
所述过渡段4用于连接接头段1和等直段2，其截面形状和尺寸分别与两端的接头段1和等直段2适配；
所述接头段1用于与燃料储箱连接端框连接，呈弧形板状，弧度与燃料储箱连接端框弧度适配；
所述交叉段3位于所述X型支架的交叉位置，用于连接等直段2。
所述过渡段4与所述等直段2的连接呈现扭转角，以利于接头段匹配燃料储箱连接端框，所述扭转角的角度根据燃料储箱及复合材料X型支架的尺寸设置。
运载火箭的燃料储箱包括上储箱5和下储箱6，其连接端框均为圆筒形；复合材料X型支架通过接头段1与连接端框之间的螺栓连接将上储箱5和下储箱6连接起来，如图2所示。
等直段2以交叉段3为分界点可以分为上等直段和下等直段，因此将接头段1分为上接头段和下接头段，上接头段与上储箱5连接，下接头段与下储箱6连接。根据上储箱5和下储箱6的尺寸确定复合材料X型支架的数量和接头段1的尺寸。
本实施例中，上等直段比下等直段长度要长，这是由燃料储箱直径不相等决定的。上储箱5直径大于下储箱6直径，决定了上等直段比下等直段长度要长。
优选地，所述复合材料X型支架主体包括三部分结构，如图3所示，由平面形状为X型的内壳体7、外壳体8和中间板9粘接而成；
所述中间板9为板状，与所述内壳体7、外壳体8粘接面尺寸一致，夹在两个所述内壳体7、外壳体8之间，从而形成中空状的主体。
优选地，所述内壳体7、外壳体8均为横截面呈帽形且外观呈X型的结构，所述内壳体7与外壳体8的开口端均靠近中间板形成中空状，如图1所示。
所述中间板9和内壳体7、外壳体8的厚度根据所述复合材料X型支架的设计载荷工况来设计。
上述内壳体7、外壳体8和中间板9的粘接为内、外壳体的帽檐和中间板9的边缘相互粘接成整体(如图5所示)；中间板9起主要承载作用，传递绝大部分拉伸和压缩载荷，中间板9的厚度一般大于两个帽形壳体厚度以保证支架有足够的承载能力；两个帽形壳体主要起增强结构压缩稳定性作用。
所述帽形壳体的帽檐宽度需要结合工艺和载荷工况来确定，所述帽檐宽度影响复合材料X型支架结构的整体力学性能。
优选地，所述内壳体7、外壳体8均由平纹织物复合材料制造而成；所述中间板9由平纹织物复合材料和单向复合材料混合铺层制造而成。平纹织物复合材料、单向复合材料均为碳纤维增强复合材料，能显著降低X型支架的重量，同时又能满足保证支架承载和稳定性的要求。
中间板9为高强度单向复合材料和平纹织物复合材料混合铺层制造而成的层合板，质量轻且承载能力强。
优选地，如图4所示，所述交叉段3的四组圆角10的直径根据复合材料X型支架的设计载荷工况及X型支架的臂间夹角来设计，用于增强结构稳定性，缓解应力集中现象。
优选地，四组所述圆角10中位置相对的圆角直径相同，相邻的圆角直径不同。
优选地，如图5所示，所述等直段2的横截面包括中间部分和两端，所述中间部分包括呈上、下对称分布的两个中空腔，所述两端包括所述中间部分上、下对称的对称轴向两端延伸的直线段，以提高结构的压缩稳定性；
所述内壳体7和外壳体8的帽形结构对称设置在中间板9两侧，形成所述中空腔；所述内壳体7和外壳体8的帽形结构的帽檐部分形成所述直线段且均与中间板9连接；
所述接头段1的横截面呈弧线型，以便于与燃料储箱连接端框连接。
优选地，所述过渡段4一端截面与等直段2端适配，另一端截面与接头段1适配；过渡段4的横截面是从等直段2的横截面形状逐渐变成接头段1横截面形状的，以实现等直段2到接头段1的平缓过渡，增强过渡段4的承载能力；
所述过渡段4自等直段2端向接头段1端宽度逐渐增加，以实现等直段2到接头段1的平缓过渡，增强过渡段4的承载能力。
过渡段4的设计是为了在保证复合材料X型支架承载能力的前提下，匹配等直段2到接头段1的形貌变化。
本实施例中为减小结构的应力集中，对复合材料X型支架的截面边角进行了圆角化处理。
优选地，如图3所示，所述接头段1由三层叠置的接头片11粘接而成，3层所述接头片11分别与所述内壳体7、外壳体8、中间板9一体成型，以保证复合材料X型支架的承载能力；
相邻两层所述接头片11之间均嵌入至少一层增强片12，以增加接头段的承载能力。
优选地，所述增强片12为与所述接头片11尺寸一致的钛合金片，钛合金片比强度高，能显著增强接头段1的承载能力。
所述增强片12也可以选择比强度高的其他金属片，如镍基合金等。
优选地，所述接头段1上设置若干排螺栓孔13，每排所述螺栓孔13错位排列。
本实施例中排螺栓孔13为两排，有分析结果显示多于两排，螺栓连接效率会显著降低。
所述接头段1与燃料储箱连接端框的连接形式为单搭接螺栓连接，该连接方式可以简化结构形式，提高复合材料X型支架承载效率和连接效率，同时降低复合材料X型支架的装配难度，保证连接的可靠性。
所述螺栓孔13的尺寸和数量根据复合材料X型支架所受载荷工况来予以确定。
本发明在充分考虑燃料储箱连接支架载荷工况、安装要求、连接可靠性及复合材料特点的基础上，发明了一种新型的复合材料X型支架来替换原有的金属支架(传统的支架设计是接头与主体分开的，采用套接方式，承载能力远远不如本发明提供的支架结构)。该新型复合材料X型支架在外形和结构组成上与现有的金属支架均存在显著区别。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，其特征在于，所述X型支架由复合材料铺层制备而成；所述X型支架包括呈中空状的主体和接头段；
所述主体包括等直段、交叉段和过渡段；
所述过渡段用于连接接头段和等直段，其截面形状和尺寸分别与两端的接头段和等直段适配；
所述接头段用于与燃料储箱连接端框连接，呈弧形板状，弧度与燃料储箱连接端框弧度适配；
所述交叉段位于所述X型支架的交叉位置，用于连接等直段。
2.如权利要求1所述的用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，其特征在于，所述主体包括三部分结构，由平面形状为X型的内壳体、外壳体和中间板粘接而成；
所述中间板为板状，与所述内壳体、外壳体粘接面尺寸一致，夹在所述内壳体、外壳体之间。
3.如权利要求2所述的用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，其特征在于，所述内壳体、外壳体均由平纹织物复合材料制造而成；所述中间板由平纹织物复合材料和单向复合材料混合铺层制造而成。
4.如权利要求3所述的用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，其特征在于，所述内壳体、外壳体均为横截面呈帽形且外观呈X型的结构，所述内壳体与外壳体的开口端均靠近中间板形成中空状。
5.如权利要求1所述的用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，其特征在于，所述交叉段的四组圆角中位置相对的圆角直径相同，位置相邻的圆角直径不同。
6.如权利要求4所述的用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，其特征在于，所述等直段的横截面包括中间部分和两端，所述中间部分包括呈上、下对称分布的两个中空腔，所述两端包括所述中间部分上、下对称的对称轴向两端延伸的直线段；
所述内壳体和外壳体的帽形结构对称设置在中间板两侧，形成所述中空腔；所述内壳体和外壳体的帽形结构的帽檐部分形成所述直线段且均与中间板连接；
所述接头段的横截面呈弧线型。
7.如权利要求1所述的用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，其特征在于，所述过渡段的横截面一端截面与等直段端适配，另一端截面与接头段适配；
所述过渡段自等直段端向接头段端宽度逐渐增加。
8.如权利要求1所述的用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，其特征在于，所述接头段由三层叠置的接头片粘接而成，3层所述接头片分别与所述内壳体、外壳体、中间板一体成型；
相邻两层所述接头片之间均嵌入至少一层增强片。
9.如权利要求8所述的用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，其特征在于，所述增强片为与所述接头片尺寸一致的钛合金片。
10.如权利要求1所述的用于连接运载火箭燃料储箱的复合材料X型支架，其特征在于，所述接头段上设置若干排螺栓孔，每排所述螺栓孔错位排列。
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