CN114060466B - 一种轻质隔振金属复合飞轮支架及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻质隔振金属复合飞轮支架及其制备方法和应用，属于金属材料结构设计及加工技术领域。该金属复合飞轮支架包括，具有轻质和高阻尼性能的镁合金底板，具有缓冲振动功能的钛合金点阵夹芯飞轮安装面，具有高刚度的钛合金支撑梁；通过金属块体加工和金属3D打印相结合的方法来制备轻质隔振金属复合飞轮支架。本发明的轻质隔振金属复合飞轮支架及制备方法具有重量小、一阶振动频率高、安装面放大倍数小、适用性广以及性能优异等优点。

Description

一种轻质隔振金属复合飞轮支架及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于金属材料结构设计及加工技术领域，具体涉及一种轻质隔振金属复合飞轮支架及其制备方法和应用。

技术背景

飞轮组件是稳定卫星等航天器姿态的重要部件，其中飞轮支架是飞轮组件的核心部件，其重量和隔振性能对航天器的有效载荷性能指标具有重要影响。通过材料设计和结构设计在降低飞轮支架重量的前提下，提升飞轮支架的一阶振动频率，降低飞轮安装面放大倍数是飞轮支架设计的主要方法。

现有飞轮支架的材料多为单一镁合金、单一铝合金或连续纤维复合材料，具有重量轻的优点。但单一镁合金、单一铝合金和连续纤维复合材料飞轮支架的刚度均较低，不利于飞轮支架一阶振动频率的提升和飞轮安装面放大倍数的降低。

飞轮支架的结构设计主要包括拓扑优化、局部厚度设计和局部加强筋设计等，以上方法能够在一定程度上减少飞轮支架的重量或增加飞轮支架的隔振性能，但以上结构设计方法并没有充分结合飞轮支架不同组成部分的受力和振动特点，无法达到进一步降低飞轮支架重量，提升飞轮支架一阶振动频率和降低飞轮安装面放大倍数的目的。

另外，现有卫星飞轮支架通常是采用铸造整体成形，存在适用性差以及性能难以满足使用要求等问题。

因此，开发重量小、一阶振动频率高、安装面放大倍数小、适用性广以及性能优异的飞轮支架及其制备方法和应用，具有十分重要的意义。

发明内容

针对传统飞轮支架及制备方法存在的重量较大、一阶振动频率较低、安装面放大倍数较大、适用性较差以及性能难以满足使用要求等不足，本发明的目的是提供一种轻质隔振金属复合飞轮支架及其制备方法和应用。本发明充分利用飞轮支架底板受力较小且对阻尼性能要求较高、飞轮安装面对缓冲振动要求较高以及飞轮支架支撑梁对刚度要求较高的特点，采用密度小且阻尼性能好的镁合金作为飞轮支架底板的材料，并对飞轮支架的底板采用大面积镂空和凹槽减重设计，使飞轮支架的底板在轻质的同时具备高的阻尼性能；采用比弹性模量较高的钛合金作为飞轮安装面的材料，对飞轮安装面采用点阵夹芯结构设计，使飞轮安装面在轻质的同时具备缓冲振动和吸能的功能；采用比弹性模量较高的钛合金作为飞轮支架支撑梁的材料，对支撑梁采用内部中空减重结构设计，并在飞轮支架振动传递和集中的关键部位增加米字型加强梁和侧翼加强肋板使飞轮支架的刚度进一步提升，并使飞轮支架的振动几乎全部转移至米字型加强梁区域，使飞轮支架的支撑梁在轻质的同时具备高的刚度和转移振动的功能，从而使飞轮支架同时具备重量小、一阶振动频率高和飞轮安装面放大倍数小的特点。预先机加工出形状简单的镁合金底板，采用金属3D打印技术在镁合金底板的表面打印出钛合金支撑梁和飞轮安装面来制备轻质隔振金属复合飞轮支架，并通过低能量高速预扫描的方法提高钛合金支撑梁和飞轮安装面与镁合金底板的结合质量，解决传统飞轮支架制备过程中存在的适用性差以及性能难以满足使用要求等问题。

根据本发明的第一方面，提供一种轻质隔振金属复合飞轮支架，所述轻质隔振金属复合飞轮支架包括底板、飞轮安装面和支撑梁。所述底板的材料为镁合金，其中心区域为完全镂空结构，其边部具有4～6个安装固定孔和2～8个减重凹槽；所述飞轮安装面的材料为钛合金，位于所述底板上方，其底部与所述底板的上表面相连，所述飞轮安装面为点阵夹芯结构，包括外壁板、内壁板和点阵层，使所述飞轮安装面具备缓冲振动和吸能的功能；所述支撑梁的材料为钛合金，所述支撑梁位于所述底板和所述飞轮安装面之间，其两端分别与所述底板和所述飞轮安装面相连，所述支撑梁包括内部为中空减重结构的普通梁、位于所述普通梁两侧的侧翼加强肋板以及连接所述底板边部和所述飞轮安装面顶部的米字型加强梁，用于增加所述轻质隔振金属复合飞轮支架的刚度并转移所述飞轮安装面的振动。

进一步的，所述轻质隔振金属复合飞轮支架的重量为0.5～1.5kg，一阶振动频率为1200～1800Hz，带轮一阶振动频率为100～400Hz，带轮飞轮安装面放大倍数≤1.5@100Hz。

进一步的，所述飞轮安装面的所述外壁板的厚度为1～4mm，所述内壁板的厚度为0.5～2mm，所述点阵层的厚度为5～15mm。

进一步的，所述普通梁的壁厚为4～10mm、宽度为20～40mm；所述侧翼加强肋板的厚度为4～8mm、最大宽度为5～15mm；所述米字型加强梁的倾斜梁的宽度为5～15mm、厚度为2～5mm，竖直梁的宽度为15～20mm、厚度为5～10mm。

根据本发明的第二方面，提供一种轻质隔振金属复合飞轮支架的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将镁合金板加工成所述底板；

步骤2：构建所述飞轮安装面和所述支撑梁的三维模型，利用分层切片软件对所述三维模型按照20～200μm的层厚进行切片处理，利用路径规划软件将切片处理后的所述三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径；

步骤3：以钛合金粉末、钛合金线材或钛合金块体为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径，依次进行所述填充和所述轮廓的单层打印成形，所述单层打印成形的扫描间距为50～500μm、扫描速度为50～1000mm/s；

步骤4：重复上述步骤3，直到成形得到所述轻质隔振金属复合飞轮支架。

进一步的，所述3D打印系统为基于激光束的3D打印系统、基于电子束的3D打印系统、基于离子束的3D打印系统或基于液流快冷的3D打印系统中的至少一种。

进一步的，在步骤2和步骤3之间增加预扫描步骤，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径，依次在所述底板上进行1～5次所述填充和所述轮廓的预扫描成形，所述预扫描成形的扫描间距为50～500μm、扫描速度为5000～10000mm/s；然后重复2～5次预扫描步骤和步骤3，直至完成所述底板与所述飞轮安装面和所述支撑梁结合区域的成形。

根据本发明的第三方面，提供一种轻质隔振金属复合飞轮支架的3D打印系统，所述系统包括：

处理器和用于存储可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行如上任一方面所述的轻质隔振金属复合飞轮支架的制备方法。

根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一方面所述的轻质隔振金属复合飞轮支架的制备方法。

根据本发明的第五方面，提供一种飞轮组件，其特征在于，所述飞轮组件设有根据以上任一方面所述的轻质隔振金属复合飞轮支架。

本发明的有益效果：

(1)本发明的轻质隔振金属复合飞轮支架采用轻质的镁合金作为底板的材料，并通过底板镂空和凹槽减重结构设计、支撑梁内部中空减重结构设计和飞轮安装面点阵夹芯减重结构设计，大幅降低飞轮支架的重量。

(2)本发明的轻质隔振金属复合飞轮支架充分利用了振动在飞轮支架中的传递方向和特点，将钛合金点阵夹芯飞轮安装面的缓冲振动、钛合金侧翼加强肋板和米字型加强梁的高刚度和转移振动以及镁合金底板的高阻尼性能的衰减振动的优点有机结合，在大幅提高飞轮支架一阶振动频率的同时，降低飞轮安装面的放大倍数。

(3)本发明的轻质隔振金属复合飞轮支架制备方法预先加工出形状简单的镁合金底板，采用金属3D打印技术在镁合金底板的表面打印出形状复杂的钛合金支撑梁和飞轮安装面，并通过低能量高速预扫描的方法提高钛合金和镁合金的结合质量，具有适用性广以及性能优异等优点。

附图说明

图1为本发明的轻质隔振金属复合飞轮支架的示意图。其中，1为底板、2为飞轮安装面，3为支撑梁。

图2为本发明的轻质隔振金属复合飞轮支架的底板示意图。其中，4为完全镂空结构，5为安装固定孔，6为减重凹槽。

图3为本发明的轻质隔振金属复合飞轮支架的飞轮安装面示意图。其中，7为点阵夹芯结构，8为外壁板，9为内壁板，10为点阵层。

图4为本发明的轻质隔振金属复合飞轮支架的支撑梁示意图。其中，11为普通梁，12为侧翼加强肋板，13为米字型加强梁。

图5为本发明实施例3中采用金属3D打印技术制备的轻质隔振AZ31镁合金和钛铝合金复合飞轮支架。

图6为本发明实施例3中轻质隔振AZ31镁合金和钛铝合金复合飞轮支架的不带轮和带轮振型分布。

图7为本发明对比例1中AZ31镁合金飞轮支架的不带轮和带轮振型分布。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

结合附图1、附图2、附图3和附图4对本发明的轻质隔振金属复合飞轮支架具体说明如下：

轻质隔振金属复合飞轮支架包括底板1、飞轮安装面2和支撑梁3。底板1的材料为镁合金，其中心区域为完全镂空结构4，其边部具有4～6个安装固定孔5和2～8个减重凹槽6；飞轮安装面2的材料为钛合金，位于底板1上方，其底部与底板1的上表面相连，飞轮安装面2为点阵夹芯结构7，包括外壁板8、内壁板9和点阵层10，点阵层10位于外壁板8和内壁板9之间，使飞轮安装面2具备缓冲振动和吸能的功能；支撑梁3的材料为钛合金，支撑梁3位于底板1和飞轮安装面2之间，其两端分别与底板1和飞轮安装面2相连，支撑梁3包括内部为中空减重结构的普通梁11、位于普通梁11两侧的侧翼加强肋板12以及连接底板1边部和飞轮安装面2顶部的米字型加强梁13，用于增加轻质隔振金属复合飞轮支架的刚度并转移飞轮安装面2的振动。

进一步的，所述普通梁包括“Y”字形、“V”字形以及“I”字形结构。

进一步的，轻质隔振金属复合飞轮支架的重量为0.5～1.5kg，一阶振动频率为1200～1800Hz，带轮一阶振动频率为100～400Hz，带轮飞轮安装面放大倍数≤1.5@100Hz(即，在100Hz振动频率下测得)。

进一步的，飞轮安装面2的外壁板8的厚度为1～4mm，内壁板9的厚度为0.5～2mm，点阵层10的厚度为5～15mm。

进一步的，普通梁11的壁厚为4～10mm、宽度为20～40mm；侧翼加强肋板12的厚度为4～8mm、最大宽度为5～15mm；米字型加强梁13的倾斜梁的宽度为5～15mm、厚度为2～5mm，竖直梁的宽度为15～20mm、厚度为5～10mm。

实施例1：

轻质隔振镁锆合金和TC4钛合金复合飞轮支架的底板1的材料镁锆合金，其边部具有4个安装固定孔5和4个减重凹槽6；飞轮安装面2的材料为TC4钛合金，其外壁板8的厚度为1mm，内壁板9的厚度为0.5mm，点阵层10的厚度为5mm。支撑梁3的材料为TC4钛合金，普通梁11的壁厚为4mm、宽度为20mm，侧翼加强肋板12的厚度为4mm、最大宽度为5mm，米字型加强梁13的倾斜梁的宽度为5mm、厚度为2mm，竖直梁的宽度为15mm、厚度为5mm。将镁锆合金板机加工成底板1，构建飞轮安装面2和支撑梁3的三维模型，利用分层切片软件对三维模型按照20μm的层厚进行切片处理，利用路径规划软件将切片处理后的三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得填充的成形路径和轮廓的成形路径，利用金属3D打印设备的3D打印系统，以TC4钛合金粉末为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据填充的成形路径和轮廓的成形路径，依次在底板1上进行填充和轮廓的单层打印成形，单层打印成形的扫描间距为70μm、扫描速度为800mm/s；重复单层打印成形，直到成形得到轻质隔振镁锆合金和TC4钛合金复合飞轮支架。轻质隔振镁锆合金和TC4钛合金复合飞轮支架的重量为0.8kg，其一阶振动频率为1300Hz，带轮一阶振动频率为200Hz，带轮飞轮安装面放大倍数为1.4@100Hz。

实施例2：

轻质隔振镁镍合金和TB6钛合金复合飞轮支架的底板1的材料为镁镍合金，其边部具有6个安装固定孔5和8个减重凹槽6；飞轮安装面2的材料为TB6钛合金，其外壁板8的厚度为3mm，内壁板9的厚度为1mm，点阵层10的厚度为10mm。支撑梁3的材料为TB6钛合金，普通梁11的壁厚为8mm、宽度为35mm，侧翼加强肋板12的厚度为6mm、最大宽度为10mm，米字型加强梁13的倾斜梁的宽度为10mm、厚度为5mm，竖直梁的宽度为15mm、厚度为10mm。将镁镍合金板机加工成底板1，构建飞轮安装面2和支撑梁3的三维模型，利用分层切片软件对三维模型按照30μm的层厚进行切片处理，利用路径规划软件将切片处理后的三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得填充的成形路径和轮廓的成形路径，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据填充的成形路径和轮廓的成形路径，依次在底板上进行5次填充和轮廓的预扫描成形，预扫描成形的扫描间距为100μm、扫描速度为8000mm/s，以TB6钛合金粉末为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据填充的成形路径和轮廓的成形路径，依次进行填充和轮廓的单层打印成形，单层打印成形的扫描间距为100μm、扫描速度为1000mm/s；重复5次预扫描成形和单层打印成形，直至完成底板与飞轮安装面和支撑梁结合区域的成形；重复单层打印成形，直到成形得到轻质隔振镁镍合金和TB6钛合金复合飞轮支架。轻质隔振镁镍合金和TB6钛合金复合飞轮支架的重量为1.4kg，其一阶振动频率为1800Hz，带轮一阶振动频率为360Hz，带轮飞轮安装面放大倍数为1.1@100Hz。

实施例3：

轻质隔振AZ31镁合金和钛铝合金复合飞轮支架的底板1的材料为AZ31镁合金，其边部具有4个安装固定孔5和4个减重凹槽6；飞轮安装面2的材料为钛铝合金，其外壁板8的厚度为2mm，内壁板9的厚度为2mm，点阵层10的厚度为11mm。支撑梁3的材料为钛铝合金，普通梁11的壁厚为5mm、宽度为30mm，侧翼加强肋板12的厚度为5mm、最大宽度为13mm，米字型加强梁13的倾斜梁的宽度为13mm、厚度为5mm，竖直梁的宽度为15mm、厚度为6mm。将AZ31镁合金板机加工成底板1，构建飞轮安装面2和支撑梁3的三维模型，利用分层切片软件对三维模型按照30μm的层厚进行切片处理，利用路径规划软件将切片处理后的三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得填充的成形路径和轮廓的成形路径，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据填充的成形路径和轮廓的成形路径，依次在底板上进行2次填充和轮廓的预扫描成形，预扫描成形的扫描间距为80μm、扫描速度为6000mm/s，以钛铝合金粉末为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据填充的成形路径和轮廓的成形路径，依次进行填充和轮廓的单层打印成形，单层打印成形的扫描间距为80μm、扫描速度为500mm/s；重复3次预扫描成形和单层打印成形，直至完成底板1与飞轮安装面2和支撑梁3结合区域的成形；重复单层打印成形，直到成形得到轻质隔振AZ31镁合金和钛铝合金复合飞轮支架，如图5所示。轻质隔振AZ31镁合金和钛铝合金复合飞轮支架的重量为1.3kg，其一阶振动频率为1320Hz，带轮一阶振动频率为290Hz，带轮飞轮安装面放大倍数为1.3@100Hz，轻质隔振AZ31镁合金和钛铝合金复合飞轮支架不带轮和带轮振型分布如图6所示。

对比例1：

AZ31镁合金飞轮支架的底板为实心结构，边部具有4个安装固定孔，飞轮安装面为实心结构，支撑梁只包括实心结构的普通梁。采用铸造的方法直接成形得到AZ31镁合金飞轮支架。AZ31镁合金飞轮支架的重量为1.5kg，其一阶振动频率为1000Hz，带轮一阶振动频率为160Hz，带轮飞轮安装面放大倍数为1.5@100Hz，AZ31镁合金飞轮支架不带轮和带轮振型分布如图7所示。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以仅通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机、计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种轻质隔振金属复合飞轮支架，其特征在于，包括：

底板，所述底板的材料为镁合金，其中心区域为完全镂空结构，其边部具有多个安装固定孔和减重凹槽；

飞轮安装面，所述飞轮安装面的材料为钛合金，位于所述底板上方，其底部与所述底板的上表面相连，所述飞轮安装面为点阵夹芯结构，使所述飞轮安装面具备缓冲振动和吸能的功能；

支撑梁，所述支撑梁的材料为钛合金，所述支撑梁位于所述底板和所述飞轮安装面之间，其两端分别与所述底板和所述飞轮安装面相连，所述支撑梁用于增加所述轻质隔振金属复合飞轮支架的刚度并转移所述飞轮安装面的振动。

2.根据权利要求1所述的轻质隔振金属复合飞轮支架，其特征在于，所述轻质隔振金属复合飞轮支架的重量为0.5～1.5kg，一阶振动频率为1200～1800Hz，带轮一阶振动频率为100～400Hz，带轮飞轮安装面放大倍数≤1.5@100Hz。

3.根据权利要求1所述的轻质隔振金属复合飞轮支架，其特征在于，所述飞轮安装面包括：

外壁板，所述外壁板的厚度为1～4mm；

内壁板，所述内壁板的厚度为0.5～2mm；

点阵层，所述点阵层的厚度为5～15mm。

4.根据权利要求1所述的轻质隔振金属复合飞轮支架，其特征在于，所述支撑梁包括：

内部为中空减重结构的普通梁，所述普通梁的壁厚为4～10mm、宽度为20～40mm；

位于所述普通梁两侧的侧翼加强肋板，所述侧翼加强肋板的厚度为4～8mm、最大宽度为5～15mm；

连接所述底板边部和所述飞轮安装面顶部的米字型加强梁，所述米字型加强梁的倾斜梁的宽度为5～15mm、厚度为2～5mm，所述米字型加强梁的竖直梁的宽度为15～20mm、厚度为5～10mm。

5.一种用于根据权利要求1至4中任一项所述的轻质隔振金属复合飞轮支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将镁合金板加工成所述底板；

步骤2：构建所述飞轮安装面和所述支撑梁的三维模型，利用分层切片软件对所述三维模型进行切片处理，利用路径规划软件将切片处理后的所述三维模型分为填充和轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径；

步骤3：以钛合金粉末、钛合金线材或钛合金块体为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径，依次进行所述填充和所述轮廓的单层打印成形，所述单层打印成形的扫描间距为50～500μm、扫描速度为50～1000mm/s；

步骤4：重复上述步骤3，直到成形得到所述轻质隔振金属复合飞轮支架。

6.根据权利要求5所述的轻质隔振金属复合飞轮支架的制备方法，其特征在于，所述3D打印系统为基于激光束的3D打印系统、基于电子束的3D打印系统、基于离子束的3D打印系统或基于液流快冷的3D打印系统中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的轻质隔振金属复合飞轮支架的制备方法，其特征在于，在步骤2和步骤3之间增加预扫描步骤，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据所述填充的成形路径和所述轮廓的成形路径，依次在所述底板上进行1～5次所述填充和所述轮廓的预扫描成形，所述预扫描成形的扫描间距为50～500μm、扫描速度为5000～10000mm/s；然后重复2～5次预扫描步骤和步骤3，直至完成所述底板与所述飞轮安装面和所述支撑梁结合区域的成形。

8.一种轻质隔振金属复合飞轮支架的3D打印系统，其特征在于，所述系统包括：

处理器和用于存储可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行根据权利要求5至7中任一项所述的轻质隔振金属复合飞轮支架的制备方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求5至7中的轻质隔振金属复合飞轮支架的制备方法。

10.一种飞轮组件，其特征在于，所述飞轮组件设有根据权利要求1至4中任一项所述的轻质隔振金属复合飞轮支架。

Images