CN112678148A - 一种独立的拱形带支撑的高低温连接结构 - Google Patents

Abstract

一种独立的拱形带支撑的高低温连接结构，为左右对称结构，左右结构相同，均包括起到主要支撑的作用的主级支撑梁、次级弧部支撑梁、次级底部支撑梁、拱形连接梁、尾端支撑梁、支撑梁外伸侧螺栓脚、支撑梁外伸侧螺栓台、无支撑梁外伸侧螺栓脚。支撑梁外伸侧螺栓脚、支撑梁外伸侧螺栓台位于高温端，无支撑梁外伸侧螺栓脚位于低温端。其中，次级支撑梁将载荷传递到主级支撑梁上；拱形连接梁是连接的主体部分，也是高温端低温端的主要过渡部分。本发明采用楔形螺栓连接安装，可有效降低与连接件连接的热端结构如陶瓷罩等，有效减轻结构之间的热失配现象。同时加装次级梁的支撑结构件，可提高连接件承受外力载荷的能力，整体增强高低温连接结构的强度。

Description

一种独立的拱形带支撑的高低温连接结构

技术领域

本发明属于一种用于高速飞行器雷达罩与箭体金属结构的拱形带支撑高低温连接结构，在减轻结构重量的情况下，可有效降低金属与陶瓷罩热膨胀系数不匹配而产生的过高热应力，同时满足飞行器陶瓷罩在气动载荷作用下的承载需求。

背景技术

高速飞行器飞行过程中，面临极端气动热环境，飞行器各部件之间的温度梯度大。因此，常需要将高温端与低温端相连接，如雷达罩和机体之间的连接。同时，由于连接件结构需满足高温环境下的结构承载需求，其与高温端被连接结构的热膨胀系数常有不同，且由于存在较大的温度梯度，高低温结构之间容易发生热失配现象，使得两者之间产生过高的热应力，进而导致飞行器结构的整体失效。

工程中常见的连接结构，通常是由板面结构、梁结构，壳结构等基础子结构组件通过一定的连接方式构建起来的结构功能体，相比独立的单一材料部件，结构设计复杂，通用性低。在航空航天领域，由于复杂的载荷和严峻的工作环境，高速飞行器中的连接结构件设计尤为系统繁琐，杠、梁、壳等基础结构通常通过螺栓连接，粘接，焊接等方式固定在一起，通过铰链，齿轮，弹簧，锁定器等连接方式形成活动机构。为了保证连接结构的可靠性通常需对各组件进行结构增强，这就导致了整体结构质量的增加。

针对上述问题，本发明提出了一种基于高温合金的拱形带支撑高低温连接结构。基于热结构的拓扑优化技术，找出高低温连接结构在高温度梯度作用下的应力应变曲线。所设计出的高低温结构为带有螺栓连接孔的拱形连接梁4和支撑梁的组合体。该结构可在满足气动载荷加载的同时，降低支撑梁在连接件结构径向的热膨胀位移。并且由于采用高温合金单一材料作为连接件的主体材料，使得所设计的连接件结构可以保证结构承载的情况下，满足轻量化设计需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种带支撑的高低温连接结构设计，不仅满足加载外载荷的强度要求，也能有效缓解因热膨胀引起的热应力问题。由于高速飞行器具有对称性，本发明中所设计的高低温连接件为左右对称结构。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种拱形带支撑的高低温连接结构，为左右对称结构，左右结构相同，均包括主级支撑梁、次级弧部支撑梁2、次级底部支撑梁3、拱形连接梁4、尾端支撑梁5、支撑梁外伸侧螺栓脚6、支撑梁外伸侧螺栓台7、无支撑梁外伸侧螺栓脚8。支撑梁外伸侧螺栓脚6、支撑梁外伸侧螺栓台7位于高温端，无支撑梁外伸侧螺栓脚8位于低温端。

所述的两个主级支撑梁1为长条状结构，方向一致且均与竖直方向成一定角度，两个主级连接梁1的两端相互连接，围成一个矩形，起到相互抑制变形的作用。所述每个主级支撑梁1的上端连接一个次级弧部支撑梁2，下端连接一个次级底部支撑梁3，且主级支撑梁1端部位于次级弧部支撑梁2和次级底部支撑梁3的多根梁结构的交汇处。本发明中主级支撑梁1用于起到主要支撑的作用，增加整体的刚度，当结构发生剧烈热膨胀时，能将连接件结构的纵向变形转换为横向变形，从而降低与之相连的低膨胀结构的热膨胀应力。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的次级弧部支撑梁2为不规则形状，包括多根长条状的梁结构，所有梁结构的一端交汇，另一端向外延伸，具体为沿主级支撑梁1的上端端面和侧面向外伸出：其中，从端面向外伸出的梁结构延伸至拱形连接梁4的弧部，另外从侧面向外伸出的梁结构延伸至弧部螺栓台处并与之相连。本发明中次级弧部支撑梁2可将载荷传递到主级支撑梁1上，并起到加强整体连接件结构的刚度作用，同时也能加强连接件与低膨胀结构之间的连接能力。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的次级底部支撑梁3为不规则形状，包括多根长条状结构的梁结构，所有梁结构的一端交汇，另一端向外延伸，具体为沿主级支撑梁1的底端端面和侧面向外伸出：其中，从端面向外伸出的梁结构延伸到底部螺栓台处并与之相连，另外从侧面向外伸出的梁结构延伸到拱形连接梁4的底部。本发明中次级底部支撑梁3可将底部受到的载荷传递到主级支撑梁1上，同时延伸到拱形连接梁4底部的支撑梁可加强主级支撑梁1的刚度，抑制其过大的热变形。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的拱形连接梁4为一体化结构，包括底部水平段和拱形弧部两部分，其中拱形弧部底端位于水平段尾端。所述拱形弧部与次级弧部支撑梁2的梁结构垂直连接，底部水平段与底部次级支撑梁3外伸出的梁结构相连且成一定角度，且支撑梁与底部水平段平面呈45°-60°之间。所述拱形连接梁4是连接的主体部分，其一侧位于高温端，一侧位于低温段，是高温端低温端的主要过渡部分。连接梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的尾端支撑梁5为一个倾斜放置的长条状梁结构，位于拱形连接梁4的水平段尾端，由拱形支撑梁4水平段尾端处向支撑梁外伸侧伸出至一个支撑梁外伸侧螺栓台7处，并与之连接。该支撑梁增强拱形尾端的刚度，加强尾端部分与低膨胀材料的连接能力，使其尾端不脱离该处连接的低膨胀材料。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、边界条件确定。

所述的支撑梁外伸侧螺栓脚6由拱形连接梁4的侧面向支撑梁外伸侧伸出的若干单双螺栓脚组成，该侧处于整体环境的高温端。所述的支撑梁外伸侧螺栓脚6设于拱形连接梁4水平段和拱形弧部上；其中，在拱形连接梁4的拱形弧部区域，采用若干“8”字型的双螺栓安装脚，目的是增强连接性能，减小高温端的低膨胀材料的位移；在拱形连接梁4的水平区域，由拱形连接梁4侧面向支撑梁外伸侧伸出的若干单螺栓脚组成，此处的连接水平较低，采用单螺栓脚可减轻质量。螺栓安装脚的直径大小、厚度等由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的支撑梁外伸侧螺栓台7在拱形弧部和底部的支撑梁外伸侧均有若干螺栓台与外伸出来的次级支撑梁2、3相连接，起到加强连接和承接载荷的作用。该侧处于整体环境的高温端。螺栓台的高度、螺孔直径大小等由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的无支撑梁外伸侧螺栓脚8由拱形连接梁4的侧面向无支撑梁外伸侧伸出的若干单螺栓脚组成，该侧处于整体环境的低温端。由于低温端的应力水平较小，因此采用单螺栓安装脚以减轻质量。无支撑梁外伸侧的安装脚排布与支撑梁外伸侧的安装脚位置并行，避免连接时对中间的连接梁产生剪切应力。螺栓安装脚的直径大小、厚度等由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

本发明的有益效果为：在尽量减轻飞行器高低温连接结构重量的情况下，采用楔形螺栓连接安装，可有效降低与连接件连接的热端结构如陶瓷罩等，由于热膨胀系数不同导致的过高热应力问题，有效减轻结构之间的热失配现象。同时加装次级梁的支撑结构件，可提高连接件承受外力载荷的能力，从而整体增强了高低温连接结构的强度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的左半结构示意图；

图3为本发明的结构各级支撑梁的分解示意图；

图4为本发明的结构连接梁和各螺栓连接处的分解示意图。

图中：1主级支撑梁；2次级弧部支撑梁；3次级底部支撑梁；4拱形连接梁；5尾端支撑梁；6支撑梁外伸侧螺栓脚；7支撑梁外伸侧螺栓台；8无支撑梁外伸侧螺栓脚。

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。

本发明是一种独立的拱形带支撑的高低温连接结构，其特征为主级支撑梁1、次级弧部支撑梁2、次级底部支撑梁3、拱形连接梁4、尾端支撑梁5、支撑梁外伸侧螺栓脚6、支撑梁外伸侧螺栓台7、无支撑梁外伸侧螺栓脚8。

所述的每个主级支撑梁1分别连接三根次级弧部支撑梁2和三根次级底部支撑梁3，共有两个主级支撑梁1，每个主级支撑梁1两端分别位于次级弧部支撑梁2和底部三根支撑梁3的交汇处，并且与竖直方向成一定角度。两个主级连接梁两端相互连接，围成一个矩形，起到相互抑制变形的作用。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的次级弧部支撑梁2在两个主级支撑梁1的上端端面和侧面成树杈状外伸出去，其中每两根从每个主级支撑梁1端面延伸到拱形连接梁4弧部，每一根从每个主级支撑梁1侧面延伸到弧部螺栓台处并与之相连。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的次级底部支撑梁3在两个主级支撑梁1的底端端面和侧面外伸出去，其中每两根从每个主级支撑梁1端面延伸到底部螺栓台处与之相连，每一根从每个主级支撑梁1侧面延伸到拱形连接梁4底部。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的拱形连接梁4呈拱形位于支撑梁外伸侧螺栓脚6和无支撑梁外伸侧螺栓脚8中间，拱形弧部垂直连接着四根次级支撑梁，底部成一定角度与两根次级支撑梁相连。连接梁梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的尾端支撑梁5由拱形支撑梁的底部尾端处向高温端伸出至一个螺栓台处并与之连接，形成一个倾斜放置的梁。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的支撑梁外伸侧螺栓脚6由拱形连接梁4侧面向支撑梁外伸侧伸出的13个螺栓脚组成。其中，在拱形的弧部中间区域，采用4个“8”字型的双螺栓安装脚，在拱形的底部区域，由拱形连接梁4侧面向支撑梁外伸侧伸出的9个单螺栓安装脚。螺栓安装脚的直径大小、厚度等由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的支撑梁外伸侧螺栓台7在拱形弧部有两个螺栓台与次级弧部支撑梁2相对应，拱形底部有四个螺栓台与次级底部支撑梁3相对应。螺栓台的高度、螺孔直径大小等由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

所述的无支撑梁外伸侧螺栓脚8由拱形连接梁4侧面向无支撑梁外伸侧伸出的16个单螺栓脚组成。低温端的安装脚与高温端的安装脚并行排布，螺栓安装脚的直径大小、厚度等由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。

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 (2)

1.一种拱形带支撑的高低温连接结构，其特征在于，所述高低温连接结构为左右对称结构，均包括主级支撑梁(1)、次级弧部支撑梁(2)、次级底部支撑梁(3)、拱形连接梁(4)、尾端支撑梁(5)、支撑梁外伸侧螺栓脚(6)、支撑梁外伸侧螺栓台(7)、无支撑梁外伸侧螺栓脚(8)；支撑梁外伸侧螺栓脚(6)、支撑梁外伸侧螺栓台(7)位于高温端，无支撑梁外伸侧螺栓脚(8)位于低温端；

所述的两个主级支撑梁(1)为长条状结构，方向一致且均与竖直方向成一定角度，两个主级连接梁(1)端部连接，围成一个矩形；所述每个主级支撑梁(1)的上端连接次级弧部支撑梁(2)，下端连接次级底部支撑梁(3)，且主级支撑梁(1)端部位于次级弧部支撑梁(2)和底部支撑梁(3)的多根梁结构的交汇处；当结构发生剧烈热膨胀时，主级支撑梁(1)能将连接件结构的纵向变形转换为横向变形，降低与之相连的低膨胀结构的热膨胀应力；

所述的次级弧部支撑梁(2)为不规则形状，包括多根长条状的梁结构，多根梁结构的底端与主级支撑梁(1)的长条状结构端部交汇，另一端沿主级支撑梁(1)的上端端面和侧面向外伸出：其中，从端面向外伸出的梁结构延伸至拱形连接梁(4)的弧部，从侧面向外伸出的梁结构延伸至支撑梁外伸侧螺栓台(7)并与之相连；次级弧部支撑梁(2)将载荷传递到主级支撑梁(1)上；

所述的次级底部支撑梁(3)为不规则形状，包括多根长条状的梁结构，多根梁结构的顶端与主级支撑梁(1)的长条状结构端部交汇，另一端沿主级支撑梁(1)的底端端面和侧面向外伸出：其中，从端面向外伸出的梁结构延伸到至支撑梁外伸侧螺栓台(7)并与之相连，另外从侧面向外伸出的梁结构延伸到拱形连接梁(4)的底部；次级底部支撑梁(3)将底部受到的载荷传递到主级支撑梁(1)上；

所述的拱形连接梁(4)为一体化结构，包括底部水平段和拱形弧部两部分，其中，拱形弧部底端位于水平段尾端；所述拱形弧部与次级弧部支撑梁(2)的梁结构垂直连接，底部水平段与次级底部支撑梁(3)外伸出的梁结构相连且成一定角度；左右对称结构的两个拱形连接梁(4)组成拱形梁结构与底部水平梁结构，作为连接的主体部分，是高温端低温端的主要过渡部分；

所述的尾端支撑梁(5)为一个倾斜放置的长条状梁结构，位于拱形连接梁(4)的水平段尾端，由拱形支撑梁(4)水平段尾端处向支撑梁外伸侧伸出至一个支撑梁外伸侧螺栓台(7)处，并与之连接；

所述的支撑梁外伸侧螺栓脚(6)由拱形连接梁(4)的侧面向支撑梁外伸侧伸出的若干单双螺栓脚组成，该侧处于整体环境的高温端；所述的支撑梁外伸侧螺栓脚(6)设于拱形连接梁(4)水平段和拱形弧部上；其中，在拱形连接梁(4)的拱形弧部区域，采用若干“8”字型的双螺栓安装脚；在拱形连接梁(4)的水平区域，由拱形连接梁(4)侧面向支撑梁外伸侧伸出的若干单螺栓脚组成；

所述的支撑梁外伸侧螺栓台(7)在拱形弧部和底部的支撑梁外伸侧均有若干螺栓台与外伸出来的次级支撑梁(2)、(3)相连接，起到加强连接和承接载荷的作用；该侧处于整体环境的高温端；

所述的无支撑梁外伸侧螺栓脚(8)由拱形连接梁(4)的侧面向无支撑梁外伸侧伸出的若干单螺栓脚组成，该侧处于整体环境的低温端；无支撑梁外伸侧的安装脚排布与支撑梁外伸侧的安装脚位置并行，避免连接时对中间的连接梁产生剪切应力。

2.根据权利要求1所述的一种拱形带支撑的高低温连接结构，其特征在于，所述的拱形连接梁(4)的底部水平段与底部次级支撑梁(3)外伸出的梁结构所成角度为45°-60°。

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