CN111963870A - 一种低温承载胶粘支座 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低温火箭领域，具体涉及一种可应用于低温(液氮)环境下的胶粘支座。在利用现有材料、成形工艺、胶粘工艺的基础上，在限定的胶粘面积范围内，通过对结构优化，实现胶层应力均匀，充分发挥胶层的承载能力。低温承载胶粘支座，包括支座本体和嵌件；在承受轴向拉伸、横向剪切联合载荷时，支座本体的加强肋采用十字布局；在只承受轴向拉伸载荷时，支座本体的加强肋采用X字布局；嵌件上有螺孔柱、上凸环以及下钩环；这种结构的嵌件能够显著降低温度应力，提高低温承载胶粘支座在低温环境下的承载能力。
Description
技术领域
本发明涉及低温火箭领域，具体涉及一种可应用于低温(液氮)环境下的胶粘支座。
背景技术
低温火箭的低温推进剂贮箱外表面需要安装用于固定管路、电缆、仪器设备等的支座，该支座需承受轴向拉伸载荷或者轴向拉伸横向剪切组合载荷，同时为了降低热损失，应避免采用金属焊接支座。
低温推进剂贮箱一般为铝合金材料，其外表面用的支座一般采用聚醚醚酮材料，通过胶粘的方式固定在贮箱外表面。支座的中心有螺纹孔，螺纹孔一般为铝合金金属嵌件，螺纹孔用于与被连接对象之间进行连接固定；支座采用聚醚醚酮，相比采用金属材料可以显著降低热损失。
由于低温胶粘支座在常温下胶粘在低温贮箱外表面，而其承载环境为低温，对胶层而言，不但承受了外载荷带来的应力，而且还要承受温度应力。
现有的低温支座结构形式、内部螺纹嵌件的结构形式不合理，导致在低温下实际测试结果远低于预计结果。
发明内容
本发明的目的是在利用现有材料、成形工艺、胶粘工艺的基础上，在限定的胶粘面积范围内，通过对结构优化，力求胶层应力尽量均匀，将胶层的承载能力充分发挥出来，达到支座承载能力满足给定载荷的要求。
本发明是这样实现的：
一种低温承载胶粘支座，包括支座本体和嵌件，支座本体包括柱身、加强肋和底面三部分，嵌件包括螺孔柱、上凸环、下钩环三部分，嵌件与支座本体通过注塑的方式形成一个整体。
如上所述的低温承载胶粘支座的底面通过胶粘的方式固定在低温贮箱的外表面，嵌件的螺孔作为螺母与被连接件的固定点。
如上所述的低温承载胶粘支座，在承受轴向、横向联合载荷时，加强肋采用十字布局，在只承受轴向载荷时，加强肋采用X字布局。
如上所述的低温承载胶粘支座，通过4个加强肋增强柱身与底面连接刚度，将外界载荷均匀的传递到胶粘面，通过分析计算，限定了加强肋的高度位于柱身上表面与下钩环上表面之间，可实现结构效率最高。
如上所述的低温承载胶粘支座，在柱身固定有嵌件，嵌件中的螺孔柱、上凸环的上表面齐平，嵌件中的螺孔柱、下钩环的下表面齐平，下钩环的钩部朝向上凸环；下钩环的钩部朝向上凸环能够显著降低温度应力，提高低温承载胶粘支座在低温环境下的承载能力。
本发明的有益效果是：
1)支座本体通过采用圆柱形的柱身、周向分布4个加强肋以及采用了长方形底面，使得低温承载胶粘支座在承受外载荷时，能够保证底面胶层应力分布的均匀性；
2)低温承载胶粘支座周向分布的4个加强肋，使得了胶粘层温度应力与外载荷应力最大值的位置相互错开，提高整体承载能力；
3)在相同胶粘层情况下，在承受轴向拉伸、横向剪切联合载荷时，加强肋采用十字布局，而在只承受轴向拉伸载荷时，加强肋采用X字布局，可以提高整体承载能力；
4)嵌件中增加下钩环部分，能够显著降低胶层产生的温度应力。
附图说明
图1低温承载胶粘支座、贮箱壁、载荷示意图；
图2是本发明的十字肋条低温承载胶粘支座的示意图；
图3是本发明的十字肋条低温承载胶粘支座的俯视图与正视剖面图；
图4是本发明的X字肋条低温承载胶粘支座的示意图；
图5是本发明的X字肋条低温承载胶粘支座的俯视图与正视剖面图；
图6是本发明的嵌件的俯视图与正视剖面图；
图7是轴向拉伸与横向剪切联合载荷作用下最佳支座结构的计算结果
图8是轴向拉伸与横向剪切联合载荷作用下最佳支座结构的胶层温度应力
图9是轴向拉伸载荷作用下最佳支座结构的计算结果
图10是轴向拉伸载荷作用下最佳支座结构的胶层温度应力
其中：1.支座本体，2.嵌件，3.柱身，4.加强肋，5.底面，6.螺孔柱，7.上凸环，8.下钩环，9.柱身上表面，10.下钩环上表面，11.嵌件上表面，12.胶粘层，13.轴向拉伸载荷，14.横向剪切载荷，15.低温贮箱壁
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
如图1所示为本发明一种低温承载胶粘支座胶粘到贮箱壁的示意图，低温承载胶粘支座通过底面5及胶层13与低温贮箱壁16固定连接到一起，低温承载胶粘支座承受的载荷一般为轴向拉伸载荷14和横向剪切载荷15。
如图2所示为本发明一种低温承载胶粘支座采用十字肋条布局的结构示意图，图3是十字肋条低温承载胶粘支座的俯视图与正视剖面图；从中可看出低温承载胶粘支座由支座本体1和嵌件2组成，支座本体1包括柱身3、加强肋4和底面5三部分，嵌件2包括螺孔柱7、上凸环8、下钩环9三部分，嵌件2与支座本体1通过注塑的方式成为一体。
如图6所示为嵌件的俯视图与正视剖面图，从中可以看出嵌件2包括螺孔柱7、上凸环8、下钩环9三部分，螺孔柱7、上凸环8的上表面齐平，螺孔柱7、下钩环9的下表面齐平，下钩环9的钩部朝向上凸环8。另外为了在低温下能够充分利用不同材料之间的热膨胀系数不同，尽可能降低温度应力，需要综合考虑支座本体1、嵌件2的各个尺寸，使得它们的综合效果能够适当降低温度应力，提高低温承载胶粘支座的整体承载能力，其中对降低温度应力最为显著的作用是钩环的钩高h。
例如低温承载胶粘支座在常温下完成胶粘，在液氮温度下应用，承受轴向拉伸载荷为6000N，横向剪切载荷为6000N，通过多轮优化设计得到十字肋条为更适合的加肋方案，低温承载胶粘支座确定出的最佳结构方案为：支座本体H＝20mm；H1＝4mm；H2＝2mm；H3＝10mm；ФD0＝56mm；L＝75mm；W＝90mm；W1＝8mm；嵌件ФD1＝25mm；ФD2＝23mm；ФD3＝34mm；H4＝10mm；H5＝3mm；H6＝3mm；W2＝2.5mm；h＝1mm；Mx＝10mm；以上具体尺寸参数参考图3以及图6。
参考图7所得的胶层、支座及嵌件的计算结果，可以看到此时胶层的法向应力未达到其破坏强度，且胶层的法向应力分布较为均匀。考虑到剪力方向可变，此种支座形式充分利用了胶层的承载力。支座和嵌件本身也未达到其破坏强度，保证了支座和嵌件在胶层破坏前不发生破坏，能充分发挥胶层的承载力。图8为胶层仅在液氮低温下产生的法向的温度应力，可以看到，由荷载产生的法向应力最大值的部位(中心左侧)，其温度应力值并不高。通过这样一种将胶层温度应力最大值与外荷载应力最大值错开的方式可以显著提高胶层在液氮低温下的承载力。
类似的，针对低温承载胶粘支座承受纯轴拉载荷的情况，确定的支座的加筋方式为X字形式，结构形式参考图4、图5。
例如对承受轴向拉伸载荷为6000N的低温承载胶粘支座，通过多轮优化设计得到X字肋条为更适合的加筋方案，低温承载胶粘支座确定出的最佳结构方案为：支座本体H＝20mm；H1＝4mm；H2＝2mm；H3＝10mm；ФD0＝34mm；L＝50mm；W＝50mm；W1＝5mm；嵌件ФD1＝18mm；ФD2＝16mm；ФD3＝24mm；H4＝10mm；H5＝2mm；H6＝5mm；W2＝2mm；h＝1mm；Mx＝8mm；以上具体参数在参考图5的基础上，相关的尺寸参考图3以及图6，得到计算结果见图9。从计算结果可以看到此时胶层未达到其破坏强度，且胶层的应力分布较为均匀。支座和嵌件本身也未达到其破坏强度，保证了支座和嵌件在胶层破坏前不发生破坏，能充分发挥胶层的承载力。图10给出了胶层仅在液氮低温下产生的法向温度应力。可以看到，胶层温度应力最大的区域仅在其正中心，而由外荷载产生的应力则位于中心外侧的环状区域，与圆柱半径基本吻合。
更多的荷载工况及支座尺寸见表1和表2。
表1不同的荷载工况及支座参数
表2不同的荷载工况及嵌件参数
综上所述，在利用现有支座本体、嵌件材料及成形工艺，以及低温承载胶粘支座与低温贮箱壁的胶粘工艺的前提下，本发明通过对支座本体1、嵌件2的各个尺寸优化组合，使得低温承载胶粘支座实现了胶层应力均匀，温度应力较大区域与外荷载导致的应力较大区域错开，显著提高了整体承载能力。
Claims (7)
1.一种低温承载胶粘支座，其特征在于：它包括支座本体和嵌件，支座本体包括柱身、加强肋和底面三部分，嵌件包括螺孔柱、上凸环、下钩环三部分，嵌件与支座本体通过注塑工艺固定在一起。
2.根据权利要求1所述的一种低温承载胶粘支座，其特征在于：支座本体包括柱身、加强肋和底面三部分，柱身为圆柱体，支座本体包含4个加强肋，4个加强肋沿环向均匀分布，底面为长方形。
3.根据权利要求1所述的一种低温承载胶粘支座，其特征在于：如果低温承载胶粘支座承受纯轴向拉伸载荷，则加强肋为X型分布；如果低温承载胶粘支座承受轴向拉伸载荷与横向剪切载荷，加强肋为十字型分布。
4.根据权利要求1所述的一种低温承载胶粘支座，其特征在于：加强肋增强柱身与底面连接刚度，加强肋的高度位于柱身上表面与下钩环上表面之间。
5.根据权利要求1所述的一种低温承载胶粘支座，其特征在于：嵌件包括螺孔柱、上凸环、下钩环三部分，螺孔柱、上凸环的上表面齐平，螺孔柱、下钩环的下表面齐平，下钩环的钩部朝向上凸环。
6.根据权利要求1所述的一种低温承载胶粘支座，其特征在于：嵌件的下钩环能够显著降低低温承载胶粘支座的温度应力。
7.根据权利要求1所述的一种低温承载胶粘支座，其特征在于：支座本体材料为聚醚醚酮，材料嵌件为铝合金。
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