CN111186595A - 一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构 - Google Patents
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Abstract
一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，其轮廓形状为类三角多、类四边形等非正凹多边形。其中主级中脉曲筋垂直于封头壁板，由封头壁板1中心为源沿直线向外发散伸出，伸向贮箱封头各个角点。主级侧脉筋条为垂直于封头壁板的直筋或曲筋，由每个主级中脉筋条两侧伸出。次级点阵筋条均匀分布在由主级侧脉筋条分隔出的多个狭长形区域的封头壁板的表面，与主级中脉筋条、主级侧脉筋条、密封凸台和密封螺栓台相交。密封凸台用于将贮箱封头与贮箱箱体之间进行定位对接。本发明可在保证结构质量不增加甚至减重的条件下，增强封头结构刚度性能，减缓其在工作载荷下的变形量与应力水平，从而有效提升结构密封性能与承载能力。
Description
技术领域
本发明属于空天飞行器一体化异形贮箱的封头结构，涉及一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构。本发明可在保证结构质量不增加甚至减重的条件下，增强封头结构刚度性能，减缓其在工作载荷下的变形量与应力水平，从而有效提升结构密封性能与承载能力。
背景技术
对于空天飞行器而言，由于其结构功能一体化设计特点，其燃料贮箱不仅需要贮存燃料，还具有气动外形的维形设计需求，故其在结构形式上呈现为非规则的异形融合贮箱，同时造成贮箱封头亦呈现为非规则形状薄壳。这种非规则异形封头结构表现出强刚度不连续特性，使其在燃料增压加注后出现局部或大面积鼓胀变形，影响结构装配密封造成燃料泄露，甚至出现局部应力集中现象，导致结构应力过大发生强度破坏。因此，异形融合贮箱的封头结构需要满足极高的刚度指标，从而抑制局部或大面积鼓胀变形的发生。基于上述原因，以圆形、球形或椭球形为主要结构形式的传统贮箱封头明显不再适用于空天飞行器的异形融合贮箱，而传统的均匀网格加筋补强设计方法也很难解决非规则异形结构形式带来的大刚度设计需求。现有的改进方法是增大封头结构的壁板厚度以及筋条高度、宽度等设计参数。然而该设计方法一方面对结构的轻量化设计不利，另一方面改进效率低下，结构性能提升效果不明显。
针对上述问题，本发明提出了一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，通过在非规则异形封头壁板表面设置具有叶脉特征的主级曲线筋条，将壁板受到的燃料压力沿着中脉筋条汇集，并通过侧脉筋条均匀扩散到密封边界，从而提高封头结构的整体刚度，抑制封头结构出现大面积鼓胀变形，使结构整体变形均匀，提升封头密封可靠性。此外，在未设置主筋的壁板表面布置蜂窝型次级点阵筋条，进一步加强封头结构的局部刚度，避免结构发生局部鼓胀变形，减缓结构在压力载荷下的应力水平，提升结构承载能力。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构。
本发明采用的技术方案为：
一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，其轮廓形状为类三角多、类四边形等非正凹多边形，包括封头壁板1、主级中脉筋条2、主级侧脉筋条3、次级点阵筋条4、密封凸台5、密封螺栓台6、管路孔7、管路密封螺栓台8、定位凸台9、密封螺栓孔10、管路密封螺栓孔11。
所述的主级中脉筋条2起到增强贮箱封头整体刚度的作用，抑制封头壁板1在内压载荷下的整体鼓胀变形，为垂直于封头壁板1的直筋，其数量由贮箱封头轮廓形状的角点数量确定；主级中脉筋条2由封头壁板1中心为源沿直线向外发散伸出，伸向贮箱封头各个角点，将管路密封螺栓台8与所对应的角点周边的密封凸台5或密封螺栓台6连接，其高度与宽度由贮箱封头的材料种类、结构形式以及所受载荷大小确定。
所述的主级侧脉筋条3起到将封头壁板1所受载荷传递至主级中脉筋条2的作用，并进一步增强贮箱封头壁板1的整体刚度，为垂直于封头壁板1的直筋或曲筋，其筋高和筋宽小于等于主级中脉筋条2；主级侧脉筋条3由每个主级中脉筋条2的两侧伸出，将封头壁板1分隔为多个面积相近的狭长形区域，并将主级中脉筋条2与其周边的密封凸台5或密封螺栓台6连接。其筋条数量、筋高和筋宽由贮箱封头的材料种类、结构形式以及所受载荷大小确定。
所述的次级点阵筋条4起到增强贮箱封头壁板1抗弯刚度的作用，抑制封头壁板1在内压载荷下的局部失稳变形，均匀分布在由主级侧脉筋条3分隔出的多个狭长形区域的封头壁板1的表面，与主级中脉筋条2、主级侧脉筋条3、密封凸台5和密封螺栓台6相交，其筋条高度远低于主级侧脉筋条3。所述的不同区域内的次级点阵筋条4的大小形状统一，单胞方向一致，但不同区域之间的筋条可以相互接合，也可互不连接。所述的次级点阵筋条4的单胞构型包括但不限于六边形蜂窝、Kagome蜂窝、四边形蜂窝和三角形蜂窝。所述的次级点阵筋条4其单胞种类，单胞尺寸，筋条高度与宽度等参数由贮箱封头的材料种类、结构形式以及所受载荷大小确定。
所述的密封凸台5用于将贮箱封头与贮箱箱体之间进行定位对接，并起到密封贮箱燃料的作用，其形状与贮箱封头的轮廓形状一致，垂直于封头壁板1，其高度与厚度由内压载荷大小、密封等级、密封螺栓数量和种类等结构及载荷因素决定。
所述的密封螺栓台6用于为贮箱封头与贮箱之间密封连接时提供密封螺栓孔10，起到加强密封螺栓孔10局部结构强度的作用，其形状为圆形，均匀分布于封头壁板1的外轮廓边界，且位于密封凸台5内部。其中，密封螺栓台6的高度、数量和位置由内压载荷大小、密封等级、密封螺栓数量和种类等结构及载荷因素决定。
所述的管路孔7位于封头壁板1的结构中心，为燃料输送管路提供定位与安装空间，其管孔直径由燃料种类和燃料输送速率等管路设计方案确定。
所述的管路密封螺栓台8用于为燃料输送管路与封头壁板1相连接时提供管路密封螺栓孔11，起到加强管路密封螺栓孔11局部结构强度的作用，其形状为圆形，均匀分布在管路孔7周边，其数量，高度和距离管路孔7的距离由内压载荷大小，密封等级，连接螺栓数量和种类等结构及载荷因素决定，但数量最少为三个。
所述的定位凸台9在贮箱封头与贮箱安装连接过程中起到结构整体定位作用，位于多边形密封凸台5的不同内凹边内部，其数量大于等于2，其形状、高度和距密封凸台5的距离由贮箱封头结构形式和与贮箱的距离连接方式确定。
所述的密封螺栓孔10用于将贮箱封头与贮箱进行密封连接，其圆心与密封螺栓台6的圆心重合，其数量与密封螺栓台6一致，其孔径由内压载荷大小，密封等级，密封螺栓数量和种类等结构及载荷因素决定。
所述的密封螺栓孔11用于将燃料输送管路与封头壁板1进行密封连接，其圆心与管路密封螺栓台8的圆心重合，其数量与管路密封螺栓台8一致，其孔径由燃料输送压力，燃料输送速率，管路密封螺栓数量和种类等结构及载荷因素决定。
本发明的有益效果为：本发明在保证结构质量不增加甚至减重的条件下，通过在非规则异形封头壁板表面设置具有叶脉特征的主级曲线筋条，将壁板受到的燃料压力沿着中脉筋条汇集，并通过侧脉筋条均匀扩散到密封边界，从而提高封头结构的整体刚度，抑制封头结构出现大面积鼓胀变形，使结构整体变形均匀，提升封头密封可靠性；同时在未设置主筋的壁板表面布置蜂窝型次级点阵筋条，进一步加强封头结构的局部刚度，避免结构发生局部鼓胀变形，减缓结构在压力载荷下的应力水平，提升结构承载能力。
附图说明
图1为本发明正面示意图；
图2为本发明分解示意图；
图3为本发明背面示意图；
附图标识：1封头壁板；2主级中脉筋条；3主级侧脉筋条；4次级点阵筋条；5密封凸台；6密封螺栓台；7管路孔；8管路密封螺栓台；9定位凸台；10密封螺栓孔；11管路密封螺栓孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明是一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，其特征在于包括类三角内凹多边形封头壁板1，主级中脉筋条2，主级侧脉筋条3，次级点阵筋条5，密封凸台6，密封螺栓台7，管路孔8，管路密封螺栓台9，密封螺栓孔10和管路密封螺栓孔11。
所述的3个主级中脉曲筋2垂直于封头壁板1，与密封凸台5等高，由封头壁板1中心为源向外发散伸出，分别终止于贮箱封头轮廓边界的三个角点，将管路密封螺栓台8与周边的密封凸台5或密封螺栓台6连接，筋条宽度由贮箱封头的材料种类、结构形式以及所受载荷大小确定。
所属的主级侧脉筋条3为垂直于封头壁板1的曲筋，其筋高等于主级中脉筋条2，由主级中脉筋条2两侧伸出，将封头壁板1分隔为多个面积相近的狭长形小区域，并将主级中脉筋条2与周边的密封凸台5或密封螺栓台6连接。筋条宽度由贮箱封头的材料种类、结构形式以及所受载荷大小确定。
所述的次级点阵筋条4均匀分布在由主级侧脉曲筋3分隔出的多个狭长形区域的封头壁板1的表面，与主级中脉曲筋2、主级侧脉曲筋3、密封凸台5和密封螺栓台6相交，其筋条高度远低于主级侧脉曲筋3。其中，不同区域内的次级点阵筋条4均为大小形状统一，方向一致，且不同区域之间的筋条相互接合的正六边形蜂窝点阵。次级点阵筋条4的单胞尺寸，筋条高度与宽度等参数由贮箱封头的材料种类、结构形式以及所受载荷大小确定。
所述的密封凸台5其形状与贮箱封头的轮廓形状一致，垂直于封头壁板1，其高度与厚度由内压载荷大小，密封等级，密封螺栓数量和种类等结构及载荷因素决定。
所述的密封螺栓台6其形状为圆形，均匀分布于封头壁板1的外轮廓边界，且位于密封凸台5内部。其中，密封螺栓台6的高度、数量和位置由内压载荷大小，密封等级，密封螺栓数量和种类等结构及载荷因素决定。
所述的管路孔7位于封头壁板1的结构中心，其管孔直径由燃料种类和燃料输送速率等管路设计方案确定。
所述的管路密封螺栓台8其形状为圆形，均匀分布在管路孔7周边，数量为6个，其高度和距离管路孔7的距离由内压载荷大小，密封等级，连接螺栓数量和种类等结构及载荷因素决定，但数量最少为三个。
所述的定位凸台9位于多边形密封凸台5的内凹边内部，数量为2，形状为两个相交的圆形、其高度和距密封凸台5的距离由贮箱封头结构形式和与贮箱的距离连接方式确定。
所述的密封螺栓孔10其圆心与密封螺栓台6的圆心重合，其数量与密封螺栓台6一致，其孔径由内压载荷大小，密封等级，密封螺栓数量和种类等结构及载荷因素决定。
所述的密封螺栓孔11其圆心与管路密封螺栓台8的圆心重合，其数量为6个，其孔径由燃料输送压力，燃料输送速率，管路密封螺栓数量和种类等结构及载荷因素决定。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，其特征在于，所述的高刚度异形贮箱封头结构的轮廓形状为非正凹多边形，包括封头壁板(1)、主级中脉筋条(2)、主级侧脉筋条(3)、次级点阵筋条(4)、密封凸台(5)、密封螺栓台(6)、管路孔(7)、管路密封螺栓台(8)、定位凸台(9)、密封螺栓孔(10)、管路密封螺栓孔(11)；
所述的主级中脉筋条(2)起到增强贮箱封头整体刚度的作用，抑制封头壁板(1)在内压载荷下的整体鼓胀变形，为垂直于封头壁板(1)的直筋，其数量由贮箱封头轮廓形状的角点数量确定；主级中脉筋条(2)由封头壁板(1)中心为源沿直线向外发散伸出，伸向贮箱封头各个角点，将管路密封螺栓台(8)与所对应的角点周边的密封凸台(5)或密封螺栓台(6)连接；
所述的主级侧脉筋条(3)起到将封头壁板(1)所受载荷传递至主级中脉筋条(2)的作用，并进一步增强贮箱封头壁板(1)的整体刚度，为垂直于封头壁板(1)的直筋或曲筋；主级侧脉筋条(3)由每个主级中脉筋条(2)的两侧伸出，将封头壁板(1)分隔为多个面积相近的狭长形区域，并将主级中脉筋条(2)与其周边的密封凸台(5)或密封螺栓台(6)连接；
所述的次级点阵筋条(4)起到增强贮箱封头壁板(1)抗弯刚度的作用，抑制封头壁板(1)在内压载荷下的局部失稳变形，均匀分布在由主级侧脉筋条(3)分隔出的多个狭长形区域的封头壁板(1)的表面，与主级中脉筋条(2)、主级侧脉筋条(3)、密封凸台(5)和密封螺栓台(6)相交；所述的不同区域内的次级点阵筋条(4)的大小形状统一，单胞方向一致；
所述的密封凸台(5)用于将贮箱封头与贮箱箱体之间进行定位对接，并起到密封贮箱燃料的作用，其形状与贮箱封头的轮廓形状一致，垂直于封头壁板(1)；
所述的密封螺栓台(6)用于为贮箱封头与贮箱之间密封连接时提供密封螺栓孔(10)，起到加强密封螺栓孔(10)局部结构强度的作用，均匀分布于封头壁板(1)的外轮廓边界，且位于密封凸台(5)内部；所述密封螺栓孔(10)用于将贮箱封头与贮箱进行密封连接，其数量与密封螺栓台(6)一致；
所述的管路孔(7)位于封头壁板(1)的结构中心，为燃料输送管路提供定位与安装空间；
所述的管路密封螺栓台(8)用于为燃料输送管路与封头壁板(1)相连接时提供管路密封螺栓孔(11)，起到加强管路密封螺栓孔(11)局部结构强度的作用，均匀分布在管路孔(7)周边；所述的管路密封螺栓孔(11)用于将燃料输送管路与封头壁板(1)进行密封连接，其数量与管路密封螺栓台(8)一致；
所述的定位凸台(9)在贮箱封头与贮箱安装连接过程中起到结构整体定位作用，位于多边形密封凸台(5)的不同内凹边内部。
2.根据权利要求1所述的一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，其特征在于，所述的主级侧脉筋条(3)的筋高和筋宽小于等于主级中脉筋条(2)。
3.根据权利要求1所述的一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，其特征在于，所述的次级点阵筋条(4)的筋条高度低于主级侧脉筋条(3)。
4.根据权利要求1所述的一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，其特征在于，所述的次级点阵筋条(4)的单胞构型包括但不限于六边形蜂窝、Kagome蜂窝、四边形蜂窝和三角形蜂窝。
5.根据权利要求1所述的一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，其特征在于，所述的密封螺栓台(6)形状为圆形。
6.根据权利要求1所述的一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，其特征在于，所述的管路密封螺栓台(8)形状为圆形，其数量最少为三个。
7.根据权利要求1所述的一种叶脉型多级曲筋补强的高刚度异形贮箱封头结构，其特征在于，所述的定位凸台(9)的数量至少为两个。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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