CN111137472A - 一种大直径无内衬复合材料贮箱连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大直径无内衬复合材料贮箱连接结构，属于航天器技术领域。本发明包括内法兰部分和外法兰部分，内法兰部分设有内法兰筒体，内法兰筒体底面向外侧斜下方延伸形成内环形法兰，内法兰筒体外侧设有内法兰外螺纹，内法兰外侧设有外法兰筒体与内法兰筒体配合设置，外法兰筒体顶侧设有密封槽，外法兰筒体顶面向外延形成外环形法兰，外环形法兰上设有通孔。本发明中铝合金法兰连接结构的成型工艺要求简便，应用本发明的贮箱缠绕成型后，结构安全，密封良好，较同种规格的金属贮箱减重效果明显。
Description
技术领域
本发明属于航天器技术领域，具体涉及一种大直径无内衬复合材料贮箱连接结构。
背景技术
当今世界，各航天大国的运载火箭正朝着高可靠、低成本、大直径的方向发展。目前，对于世界上所有国家的航空航天工业来说，提升火箭的运载效率，以及降低火箭发射成本的最主要方式，就是火箭结构的轻质化。相关研究表明，推进贮箱占到整个运载火箭重量的60％左右。因此，使用复合材料代替传统的金属材料进行贮箱制造，是最为直接、有效的减重方式。复合材料贮箱根据结构形式主要分为有金属内衬和无金属内衬两种结构。其中，扮演过渡作用的有金属内衬结构的复合材料贮箱，它的法兰连接结构是与金属内衬一体成型的，结构形式较为简单，便于制造使用。但为了进一步提升贮箱的结构性能以及减重，使用无内衬结构的复合材料贮箱是运载火箭的最终选择，其中的法兰连接结构显得尤为关键重要。对于无内衬结构的复合材料贮箱，最早的相关报道是NASA与洛马公司在2001年8月宣布制造出了直径1.2m的无内衬复合材料贮箱，较同种规格的金属贮箱减重18％。虽然之后NASA又公布了直径分别为2.4m和5.5m的复合材料贮箱的制造计划，但均未公布贮箱的详细结构以及参数。而我国航天工业对复合材料的研究始于20世纪70年代，起步较晚，并且由于贮箱涉及军工，能得到的参考资料非常有限，直到2002年才研制出了带有金属内衬的复合材料贮箱，而对于无内衬的复合材料贮箱则始终处在研制阶段。其中，法兰连接结构的设计就是贮箱研究制造过程中的困难之一，既要保证连接结构的可实现性，又要满足贮箱结构的安全性要求，并且由于无内衬结构，一些传统的法兰连接结构形式无法使用。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种大直径无内衬复合材料贮箱连接结构，该连接结构可有效应用在无内衬复合材料贮箱中，满足了贮箱结构的安全性和贮箱的密闭性。
本发明解决问题的连接结构包括内法兰部分和外法兰部分。其中，内法兰部分：实心圆柱体与上底面面积与实心圆柱体底面积相同的实心圆台一体成型形成内法兰实心体，实心圆柱体设于实心圆台上方，实心圆柱体侧面表面设有螺纹，该螺纹为内法兰外螺纹，实心圆柱体与实心圆台的交接处进行曲度处理，形成弧形面a，使实心圆柱体与实心圆台之间没有明显的过渡，内法兰实心体中心位置去除部分材料后形成中空空间，中空空间的形状与内法兰实心体形状相近，同为上部分为圆柱状下部分为圆台状结构，中空空间的圆柱体直径小于内法兰实心体的直径、中空空间的圆柱体高高于内法兰实心体的高、中空空间圆台底面直径与内法兰实心体圆台底面相同，中空空间的高与内法兰实心体高相同。内法兰实心体去掉中空空间位置的材料所得到的结构为内法兰，内法兰竖直方向的部分为内法兰筒体，内法兰向斜下方延伸的部分为内环形法兰，内环形法兰的底端边缘曲度处理形成弧形面b。外法兰部分：外法兰主体为内径与内法兰筒体外径相同的外法兰筒体，外法兰筒体高度高于内法兰筒体，外法兰筒体内侧设有外法兰内螺纹，该螺纹与内法兰筒体外侧的内法兰外螺纹相匹配，外法兰筒体顶侧距离顶面中心相同的位置设置凹槽形成密封槽用来放置密封圈，外法兰顶面向径向外延形成外环形法兰，外环形法兰上距顶面圆心相同的位置设有数个相同的通孔，外法兰筒体底侧为拱形，底侧外边缘曲度处理形成弧形面c。
进一步的，内法兰和外法兰的材质均为铝合金材质。
进一步的，内法兰筒体内壁设置1°～2°的拔模角。
工作过程：选择模具，将内法兰放置在模具上相应的位置，对模具进行调整修改，使内环形法兰上表面与模具表面连续，两者无明显过渡，固定内法兰与模具，进行纤维缠绕与固化成型，形成复合材料缠绕层。将外法兰通过外法兰内螺纹与内法兰外螺纹进行连接后装配在贮箱中。
原理：本发明中外法兰筒体下表面根据实际缠绕堆积形状进行设计。实际纤维缠绕在极孔处存在纤维堆积，提取极孔处缠绕层的上表面轮廓，作为外法兰筒体下表面。同时，将外法兰筒体下表面与外壁过渡处设置成弧形面c，避免在轴向载荷作用下外法兰对复合材料缠绕层造成破坏。
发明有益效果
本发明中内环形法兰的上表面设置成曲面，以使得内法兰放置在模具上进行缠绕时，内环形法兰的上表面与模具表面连续，保证缠绕表面没有明显的过渡处，不仅有利于缠绕机进行纤维缠绕成型、减轻纤维缠绕时的堆积，而且缠绕后的贮箱结构安全性得到了提升。由于模具一般根据贮箱名义尺寸进行设计，在放置内法兰前需要对模具进行修改以满足表面连续条件。环形法兰的下表面采用斜面，不仅可以减小法兰的质量，提高贮箱的容积，而且加工方便，易于模具修改。由于加工技术的限制，环形法兰的端部无法加工成理想的尖角形式，为防止应力集中现象的出现，端部加工成弧形面进行过渡。
本发明中铝合金法兰连接结构的成型工艺要求简便，应用本发明的贮箱缠绕成型后，结构安全，密封良好，较同种规格的金属贮箱减重效果明显。
附图说明
图1为本发明涉及的结构与复合材料缠绕层的结合图。
图2为本发明连接结构的放大细节图。
图3为本发明中内法兰的结构示意图。
图4为本发明中外法兰的结构示意图。
图中，1、复合材料缠绕层，2、外法兰，3、内法兰，21、外法兰筒体，22、弧形面c，23、外环形法兰，24、外法兰内螺纹，25、密封槽，26.通孔，31、内法兰筒体，32、弧形面b，33、内环形法兰，34、内法兰外螺纹，35、弧形面a。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本发明解决问题的连接结构包括内法兰部分和外法兰部分。其中，内法兰部分：实心圆柱体与上底面面积与实心圆柱体底面积相同的实心圆台一体成型形成内法兰实心体，实心圆柱体设于实心圆台上方，实心圆柱体侧面表面设有螺纹，该螺纹为内法兰外螺纹34，实心圆柱体与实心圆台的交接处进行曲度处理，形成弧形面a35，使实心圆柱体与实心圆台之间没有明显的过渡，内法兰实心体中心位置去除部分材料后形成中空空间，中空空间的形状与内法兰实心体形状相近，同为上部分为圆柱状下部分为圆台状结构，中空空间的圆柱体直径小于内法兰实心体的直径、中空空间的圆柱体高高于内法兰实心体的高、中空空间圆台底面直径与内法兰实心体圆台底面相同，中空空间的高与内法兰实心体高相同。内法兰实心体去掉中空空间位置的材料所得到的结构为内法兰3，内法兰3竖直方向的部分为内法兰筒体31，内法兰3向斜下方延伸的部分为内环形法兰33，内环形法兰33的底端边缘曲度处理形成弧形面b32。外法兰部分：外法兰2主体为内径与内法兰筒体外径相同的外法兰筒体21，外法兰筒体21高度高于内法兰筒体31，外法兰筒体31内侧设有外法兰内螺纹24，该螺纹与内法兰筒体31外侧的内法兰外螺纹34相匹配，外法兰筒体21顶侧距离顶面中心相同的位置设置凹槽形成密封槽25用来放置密封圈，外法兰2顶面径向外延形成外环形法兰23，外环形法兰23上距顶面圆心相同的位置设有数个相同的通孔26，外法兰筒体21底侧为拱形，底侧外边缘曲度处理形成弧形面c22。
实施例2
贮箱缠绕的模具选择砂模，砂模根据贮箱结构的名义尺寸制作完成后，需要在模具上放置内法兰的位置处，对砂模进行修改，使内法兰3放置在模具上时，内法兰3的内环形法兰33的上表面与模具表面连续，两个表面之间没有明显的过渡处；将内法兰3与模具完全固定住后，进行纤维缠绕与固化成型，形成复合材料缠绕层1；将外法兰2通过外法兰内螺纹24和内法兰外螺纹34进行螺纹连接。使用本发明的法兰连接结构装配在贮箱中，不仅保证了贮箱结构的安全，而且满足了贮箱的密封性要求。法兰连接结构包括内法兰3和外法兰2，内法兰3和外法兰2通过螺纹连接配合将复合材料缠绕层1固定住。内法兰3包括内法兰筒体31和内环形法兰33。内环形法兰33的上表面设计成曲面，使得内法兰3放置在模具上时，内环形法兰33的上表面与模具表面形成连续曲面；而内环形法兰33的下表面设计成斜面1.，便于模具的修改。受限于工艺技术，内环形法兰33的端部无法制成理想的尖角形式，以弧形面b32代替过渡。在内法兰筒体31的外壁设有内法兰外螺纹34，内法兰筒体31的外壁与内环形法兰33的上表面之间通过弧形面a35过渡。外法兰2包括外法兰筒体21和外环形法兰23。在外法兰筒体21的内壁设有与内法兰外螺纹34相配合的外法兰内螺纹24，其螺纹长度比内法兰外螺纹34的螺纹长度大2～4mm，有利于密封。在外法兰筒体21的上表面设置一圈密封槽25，密封槽25的宽度比深度大2～3mm，与环形密封圈配合使用，保证贮箱结构的密封性；而外法兰筒体21的下表面形状根据复合材料缠绕层1在极孔处的外轮廓进行设计，提取复合材料缠绕层1在极孔处一定范围内(包含缠绕堆积即可)的外轮廓，将外轮廓进行直线拟合处理，将处理结果作为外法兰筒体21的下表面，而外法兰筒体21的下表面与外壁的过渡处设置成弧形面c22，防止外法兰2受轴向载荷作用破坏复合材料缠绕层1。在外环形法兰23的适当位置设置通孔26，通孔26的数量以及尺寸根据贮箱载荷工况计算确定。
用于制造权利上述的铝合金法兰连接结构的成型工艺：
制造完成后，内法兰3的内环形法兰33的上表面光滑，为保证内环形法兰33和复合材料缠绕层1更好的粘接，内环形法兰33上表面进行硫酸阳极化本色处理；
结合模具的材料类型，充分考虑是否需要在内法兰3的内法兰筒体31的内壁设置1°～2°的拔模角。上述实施方式的模具采用砂模，无需拔模角。经试验，应用本发明的无内衬贮箱在0.8MPa的内压载荷作用下，无明显变形，且始终保持良好的密封性。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。
Claims (3)
1.一种大直径无内衬复合材料贮箱连接结构，其特征在于，该结构包括内法兰部分和外法兰部分；其中，内法兰部分：实心圆柱体与上底面面积与实心圆柱体底面积相同的实心圆台一体成型形成内法兰实心体，实心圆柱体设于实心圆台上方，实心圆柱体侧面表面设有螺纹，该螺纹为内法兰外螺纹(34)，实心圆柱体与实心圆台的交接处进行曲度处理，形成弧形面a(35)，使实心圆柱体与实心圆台之间没有明显的过渡，内法兰实心体中心位置去除部分材料后形成中空空间，中空空间的形状与内法兰实心体形状相近，同为上部分为圆柱状下部分为圆台状结构，中空空间的圆柱体直径小于内法兰实心体的直径、中空空间的圆柱体高高于内法兰实心体的高、中空空间圆台底面直径与内法兰实心体圆台底面相同，中空空间的高与内法兰实心体高相同；内法兰实心体去掉中空空间位置的材料所得到的结构为内法兰(3)，内法兰(3)竖直方向的部分为内法兰筒体(31)，内法兰(3)向斜下方延伸的部分为内环形法兰(33)，内环形法兰(33)的底端边缘曲度处理形成弧形面b(32)；外法兰部分：外法兰(2)主体为内径与内法兰筒体外径相同的外法兰筒体(21)，外法兰筒体(21)高度高于内法兰筒体(31)，外法兰筒体(31)内侧设有外法兰内螺纹(24)，该螺纹与内法兰筒体(31)外侧的内法兰外螺纹(34)相匹配，外法兰筒体(21)顶侧距离顶面中心相同的位置设置凹槽形成密封槽(25)用来放置密封圈，外法兰(2)顶面径向外延形成外环形法兰(23)，外环形法兰(23)上距顶面圆心相同的位置设有数个相同的通孔(26)，外法兰筒体(21)底侧为拱形，底侧外边缘曲度处理形成弧形面c(22)。
2.根据权利要求1所述的大直径无内衬复合材料贮箱连接结构，其特征在于，内法兰(3)和外法兰(2)的材质均为铝合金材质。
3.根据权利要求1所述的大直径无内衬复合材料贮箱连接结构，其特征在于，内法兰筒体(31)内壁设置1°～2°的拔模角。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Zhanjun Inventor after: Liu Xin Inventor after: Liu Minjing Inventor after: Yu Song Inventor after: Li Tengteng Inventor after: Zhu Rubin Inventor before: Wu Zhanjun Inventor before: Liu Xin Inventor before: Yu Song Inventor before: Li Tengteng Inventor before: Zhu Rubin |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200512 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |