CN112523902A - 一种基于3d打印的喷管用复合材料固定壳体 - Google Patents

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赵永忠
赵威
刘小平
刘丰
修经纬
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刘晓军
呼日查
邹爱玲
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    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
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Abstract

本发明涉及一种基于3D打印的喷管用复合材料固定壳体，分为法兰段、凸止口段、锥段和台阶段，法兰段为圆柱形等壁厚结构，端面上周向均布有多个圆孔；止口段为短圆柱等壁厚结构，与法兰段垂直；锥段为圆锥形等壁厚结构，与凸止口段和法兰段平滑过渡连接；台阶段为回转体，内表面为端面，外表面为短端面+锥面；台阶段一端为一级阶梯结构，另一端与锥段平滑过渡连接；法兰段、凸止口段、锥段和台阶段均为连续纤维增强复合材料，采用增材制造工艺一体化成型，各部分结构平滑过渡连接。本发明实现了3D打印复合材料固定壳体的成形，降低了喷管的结构质量，提高了发动机的质量比，对支撑导弹武器未来的升级跨代具有重要意义。

Description

一种基于3D打印的喷管用复合材料固定壳体
技术领域
本发明涉及一种3D打印（又称作“增材制造”）的复合材料承载结构，尤其涉及一种固体火箭发动机喷管用固定壳体结构。
背景技术
增材制造技术在生物医疗、交通运输、航空航天、工业装备和电子产品等领域已部分实现批量应用。连续纤维增强复合材料凭借其优异的性能，已广泛应用于导弹武器的壳体、舱段和头罩等零部件。喷管结构质量的高低直接影响着导弹武器的射程和运载能力，固定壳体作为喷管的最核心的承载构件，载荷环境恶劣，目前材料基本均以合金钢或钛合金为主，其质量占比约20%左右。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于3D打印的喷管用复合材料固定壳体，以解决实现喷管结构质量降低，制造周期缩短，提高固体火箭发动机的质量比的问题。
为解决存在的技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于3D打印的喷管用复合材料固定壳体，分为法兰段、凸止口段、锥段和台阶段，所述法兰段为圆柱形等壁厚结构，端面上周向均布有多个圆孔；所述凸止口段为短圆柱等壁厚结构，与法兰段垂直；所述锥段为圆锥形等壁厚结构，与凸止口段和法兰段平滑过渡连接；所述台阶段为回转体，内表面为端面，外表面为短端面+锥面；台阶段一端为一级阶梯结构，另一端与锥段平滑过渡连接；所述法兰段、凸止口段、锥段和台阶段均为连续纤维增强复合材料，采用增材制造工艺一体化成型，各部分结构平滑过渡连接。
本发明的基于3D打印的喷管用复合材料固定壳体制造周期短，增加了发动机的质量比。该固定壳体采用连续纤维增强复合材料，所用原材料为碳纤维和热塑性树脂，不含任何金属材料；采用增材制造的成型方式，属于基于连续纤维增强的整体式复合材料结构。作为发动机喷管的主承载构件，既可以满足喷管的强度要求，又可以满足喷管的刚度要求，降低了喷管的结构质量，同时缩短了制造周期，为发动机性能和研发效率的提升提供了先进的技术途径，支撑固体动力技术升级换代。
有益效果
本发明利用连续纤维增强复合材料增材制造技术可实现复杂结构零件的一体化成形的特点，实现了3D打印复合材料固定壳体的成形，降低了喷管的结构质量，提高了发动机的质量比，对支撑导弹武器未来的升级跨代具有重要意义。
本发明的基于3D打印的喷管用复合材料固定壳体适用范围更广，可设计性更强，结构质量更轻；采用连续纤维增强工艺，结构完整性更好，承载能力更强；采用3D打印，制造周期更短，原材料利用率更高，为降低喷管结构质量提供了一种工程化更强的技术途径。可推广应用于喷管扩张段壳体，技术继承性更高。
附图说明
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的右视图；
图3是图2中Ⅰ处的局部放大图；
图中标记：1-法兰段，2-凸止口段，3-锥段，4-台阶段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如附图1所示，一种基于3D打印的喷管用复合材料固定壳体，由法兰段1、凸止口段2、锥段3和台阶段4四部分组成。
如附图2和3所示，法兰段1为圆柱形等壁厚结构，端面上周向均布有若干个圆孔；
法兰段1的壁厚、端面圆孔数量、孔径和分布圆直径均可根据指标要求进行适应性调整。
凸止口段2为短圆柱等壁厚结构，与法兰段一端呈90°垂直；
锥段3为圆锥形等壁厚结构，与凸止口段和法兰段平滑过渡连接；
台阶段4为回转体，内表面为端面，外表面为短端面+锥面。台阶段4一端为一级阶梯结构，另一端与锥段平滑过渡连接；台阶段4可以根据喷管整体结构需要进行调整。
锥段3的壁厚、锥角以及与凸止口段2和台阶段4连接过渡的倒角均可以调整；
法兰段1、凸止口段2、锥段3和台阶段4均为连续纤维增强复合材料，采用增材制造工艺一体化成型，四部分结构平滑过渡连接，壁厚和形状可根据不同的发动机燃烧室参数和喷管结构进行调整。
本发明的固定壳体结构利用3D打印工艺实现了全复合材料化，且可以满足喷管承载要求。
本发明的固定壳体产品实测结构质量1.41kg，经折算整体密度约1.63g/cm3。通过有限元仿真分析和喷管例行的水压试验验证考核，试验后结构完整，表明承载能力可靠，证明本发明可行。

Claims (2)

1.一种基于3D打印的喷管用复合材料固定壳体，分为法兰段（1）、凸止口段（2）、锥段（3）和台阶段（4），其特征在于：
所述法兰段（1）为圆柱形等壁厚结构，端面上周向均布有多个圆孔；
所述凸止口段（2）为短圆柱等壁厚结构，与法兰段（1）垂直；
所述锥段（3）为圆锥形等壁厚结构，与凸止口段（2）和法兰段（1）平滑过渡连接；
所述台阶段（4）为回转体，内表面为端面，外表面为短端面+锥面；台阶段（4）一端为一级阶梯结构，另一端与锥段（3）平滑过渡连接；
所述法兰段（1）、凸止口段（2）、锥段（3）和台阶段（4）均为连续纤维增强复合材料，采用增材制造工艺一体化成型，各部分结构平滑过渡连接。
2.根据权利要求1所述的喷管用复合材料固定壳体，其特征在于：所述喷管用复合材料固定壳体所用原材料为碳纤维和热塑性树脂。
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