CN114476145B - 短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架，涉及航空航天等轻量化设计制造技术领域，该支架主要包括中间圆筒区域和四条桥梁式支腿区域两大部分，两部分之间通过螺栓进行连接；考虑成型工艺限制，进一步优化的支架构型，使用注塑成型工艺制备支架结构。同时本发明制备的短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架，可用于较大载荷和复杂工况条件，支架的连接性、整体强度稳定性以及隔振性能和使用寿命都达到设计要求。本发明为热塑性复合材料工程制造提供了一种高效的优化设计及制造方法，该方法制造出的卫星隔/减振支架成本低、实用性强，易于规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于航空航天等轻量化设计制造技术领域，涉及到短切碳纤维增强热塑性复合材料支架的结构增强设计，特别涉及到一种基于短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架。
背景技术
短切碳纤维增强热塑性复合材料具有优异的比强度、刚度、材料的各向异性、耐腐蚀性、抗疲劳、减震、吸能等特性，使其在现代航空航天、汽车领域的应用迅速增加。短切碳纤维增强热塑性复合材料表现出来的突出特性不仅被用来减轻结构的重量，也被用来提高结构的整体性能。短切碳纤维增强热塑性复合材料与热固性复合材料相比密度小、比强度大、抗冲击性能优异、耐腐蚀、湿热性能好，而且这种热塑性复合材料储存方便、成型效率高、可熔融焊接和减少制造周期，可以多次加热熔融，重复使用，节约成本，这些特性使热塑性复合材料对许多结构应用具有吸引力。为适应当前社会各种领域对轻量化和整体性能的要求，并且随着短切碳纤维增强热塑性复合材料成型技术的不断发展，短切碳纤维增强热塑性复合材料将会在航空航天领域中有更为广泛的应用。
卫星支架作为运载火箭或者导弹上承载陀螺装置、导航设备和控制系统等重要电气系统的安置平台，避免振动响应影响仪器设备的正常工作而导致的航天器任务失败、提高卫星综合控制器支架的结构性能就显得极其重要。一般而言，卫星支架受到的振动主要来源于发动机产生的随机振动、外界气流引起的抖振、冲击等，因此为了保证航天器在恶劣的环境下能够正常工作，就必须对卫星支架的隔/减振性能提出更高的要求。但是现有的某卫星支架轻量化设计不够，减振性能不足，需要进一步改进。在此应用背景下，本发明在考虑轻量化设计的同时，在保证卫星支架结构强度的情况下，制造出一款具有高隔/减振性能的支架。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：现有某卫星支架轻量化设计不够以及支架缺少阻尼而导致减振能力不足。
为解决上述问题，本发明采用的解决方案是：
一种基于短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架，所述的卫星隔/减振支架包括承载面圆筒区域和四个桥梁式支腿结构，其中桥梁式支腿结构顶部为三角立板传力结构、末端为加筋式增强结构，桥梁式支腿结构为一体成型结构。
所述的承载面圆筒区域位于支架的最上方，包括承载面连接螺栓孔7、圆筒承载面4、限位块5、圆筒结构6、圆筒结构螺栓孔8。所述的圆筒结构6上设有均匀分布的四组圆筒结构螺栓孔8，其中每组圆筒结构螺栓孔8包括两列螺栓孔，圆筒结构6通过圆筒结构螺栓孔8与桥梁式支腿结构14的上端连接。所述的圆筒结构6内侧均匀设有四个圆筒承载面4(与传统支架的圆筒承载面4结构相同，如图3)，圆筒承载面4的位置与圆筒结构螺栓孔8对应，所述每个圆筒承载面4端部设有一个承载面连接螺栓孔7，圆筒承载面4通过承载面连接螺栓孔7与在其上放置的综合控制器等设备进行连接。所述的两个限位块5设于相邻的两个圆筒承载面4的上方，且对称分布，用于限定综合控制器等设备安装的位置。
所述的四个桥梁式支腿结构14结构相同，在原始支腿填充区域2的基础上进行改进，每个桥梁式支腿结构14为顶部开口的箱体结构，包括一个底面和两个侧面，其中两个侧面与底面之间的镂空区域为第二拓扑孔13，为了传力结构的稳定和结构的轻量化；所述两个侧面与底面连接的位置对称设有凹槽结构，作为第一拓扑孔12，且第一拓扑孔12靠近三角立板传力结构区域。
所述的桥梁式支腿结构14的顶部设有三角立板传力结构区域。所述的每个三角立板传力结构区域包括弧形连接板11、立板支撑结构9，三角立板支撑片9-1，支腿连接螺栓孔16 以及圆筒与支腿连接螺栓10。所述的弧形连接板11上对称设有两列支腿连接螺栓孔16，支腿连接螺栓孔16与圆筒结构螺栓孔8位置对应，用于穿过连接螺栓10，即弧形连接板11外侧面与圆筒结构6内侧通过圆筒与支腿连接螺栓10连接。所述弧形连接板11内侧面中部设有三角立板支撑片9-1，三角立板支撑片9-1斜面设有板状的立板支撑结构9，且立板支撑结构9与三角立板支撑片9-1形成三角支撑结构，固定于圆筒承载面4下方。三角立板传力结构设计成这种形状主要是为了传力结构的稳定又能达到减重的目的。
所述的桥梁式支腿结构14的底部设有由第一斜杆15-1、第二斜杆15-2组成的加筋式增强结构15：桥梁式支腿结构14下半部分的两个侧面为镂空结构，其内设置的第一斜杆15-1、第二斜杆15-2呈八字形分布，为了增强结构的稳定性，防止桥梁式支腿下端出现扭转变形。
一种基于短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架的设计方法，设计步骤如下：
1)进行复合材料标准拉伸实验测试，得到短切碳纤维增强热塑性复合材料的弹性常数和泊松比。
2)建立热塑性复合材料构件的有限元模型，并对原支架构型进行工况载荷下的变形模式分析。
3)根据工程实际工况中的载荷条件设计构建优化模型，采用拓扑优化方法中的广义算法进行支架结构件的优化设计，以最小应变能为优化目标，质量、频率为优化约束，建立优化数学模型并进行求解，确定概念参考图。
4)在拓扑优化的基础上，进行参数化建模，参数化建模分析和结果提取是基于ABAQUS 二次开发的结构件参数化分析程序。基于Isight软件对结构件进行详细的尺寸优化，直至优化结果收敛，得到结构件的最优设计。
5)结合成型工艺修改优化的构件构型，注塑成型制备结构件。
一种基于短切碳纤维增强热塑性复合材的卫星隔/减振支架制备方法，包括：
一种基于短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架的制备方法，将聚苯硫醚 (PPS)中注入35％的碳纤维短纤，通过热塑性树脂高温高压注射成型或采用特定低粘度热塑性树脂体系的真空灌注一体成型，固化过程快速，加工周期短，生产效率高。
优选的，短切碳纤维增强PPS复合材料熔点285℃，保压压力50-90MPa。
优选的，注塑之前需要烘干，烘干温度为100℃-140℃之间，烘干所需时间为3.5-4.5个小时，并放置于模具中。
优选的，支腿区域的制备是通过短切碳纤维增强PPS复合材料注塑成型得到，注塑温度为300～330℃(优选温度机制为300℃、310℃、320℃、330℃)，注压压力为100-180MPa。
优选的，结合成型工艺修改优化的构件构型，可以提高制备的构件质量，避免构件出现基体聚集、气泡、空隙等缺陷。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种适用于短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架设计流程，针对具体工况建立优化模型，实现材料和结构件外形的优化设计，对复合材料结构件外形进行全体尺寸参数化，极大的提高了轻量化设计的自由度；同时本发明制备的短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架，于较大载荷和复杂工况条件下，支架的连接性、整体强度稳定性以及隔振性能和使用寿命都达到可靠要求。本发明为热塑性复合材料工程制造提供了一种高效的优化设计方法，该方法制造出的支架成本低、实用性强，易于规模化生产。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架的优化设计方法的流程图。
图2是卫星支架初体的结构示意图。
图3是用于拓扑优化的结构示意图。
图4是本发明的优化设计结构示意图。
图5、图6是本发明的优化设计支腿区域局部结构示意图。
图中：1长方体传力结构；2支腿填充区域；3初始圆筒；4圆筒承载面；5限位块；6圆筒结构；7承载面连接螺栓孔；8圆筒结构螺栓孔；9立板支撑结构，9-1三角立板支撑片；10圆筒与支腿连接螺栓；11弧形连接板；12第一拓扑孔；13第二拓扑孔；14桥梁式支腿结构；15加筋式增强结构，15-1第一斜杆，15-2第二斜杆；16支腿连接螺栓孔。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施实例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
具体实例1为短切碳纤维增强PPS复合材料的卫星隔/减振支架设计，步骤如下：
1)进行标准拉伸实验进行复合材料基本力学性能测试得到弹性常数和泊松比，复合材料的拉伸弹性模量28GPa，泊松比为0.35。
2)建立卫星支架初体有限元模型，材料为铝合金，质量7.0Kg，如图2，并对其进行承载力分析，得出其在加载1764N的静力载荷作用条件下承载面位移为0.12mm，接着对其进行随机振动分析，随机振动的功率谱密度函数是以火箭发射时的实际测试为依据，获得的真实可靠的数据，其中等效质量块重12Kg。
3)对卫星支架初体结构进行必要的填充，扩充其设计域，如图3。参见图3所示，建立卫星支架的待优化模型，其中新增长方体传力结构1；支腿填充区域2；初始圆筒3；圆筒承载面4。
4)基于有限元分析软件，建立卫星支架的待优化模型，待优化模型包括长方体传力结构 1，支腿填充区域2，以及中间的初始圆筒3区域，待优化模型的外轮廓与卫星支架初体结构的外轮廓相适配。
对扩充后的支架区域选定设计域与非设计域，进行拓扑优化设计，包括：建立优化任务；创建优化响应；设定约束条件；建立目标函数；设立几何限制；得到理想的优化结果。其中，将轴向过载设置为拓扑优化的载荷条件，将频率和质量设置为拓扑优化的约束条件，以及将最小应变能设置为拓扑优化的优化目标，几何限制设置为旋转对称。
5)根据拓扑优化得出的概念参考图，基于ABAQUS二次开发结构件的参数化分析程序，实现结构件自动化建模、分析和后处理，并把后处理的结果导入到自主开发结构优化设计程序对支架进行详细的尺寸优化，得到支架结构的最终设计图，并结合成型工艺修改优化的构件构型如图4，最后注塑成型制备结构件。
具体而言，本实例最终构型如图4所示，圆筒承载面4上有4个螺栓孔用于固定综合控制器等设备；圆筒承载面4下方设置的立板支撑结构9与支腿区域一体化成型，有利于传力结构的稳定；为了增强传力结构的强度，本实例中在三角立板中间设置三角立板支撑片9-1 (图6)；圆筒中间面与支腿侧面通过圆筒与支腿连接螺栓10进行固定；支腿下方区域以及镂空部分是根据第一拓扑孔12和第二拓扑孔13而设置的桥梁式传力结构14；圆筒下部分镂空区域是根据弧形连接板11而设置的材料去除区域，即圆筒结构6；为防止桥梁式支腿下端出现扭转变形，加入加筋式增强结构15，即第一斜杆15-1和第二斜杆15-2(图6)呈现出八字形并进行了相应的尺寸优化进行调整。需要说明的是，本实例中4条桥梁式支腿均阵列分布于圆筒周围，4条桥梁式支腿结构完全相同。
对优化后的基于短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架图4通过仿真的方法，对其强度、刚度、抗振动特性性能进行验证：
A、强度工况：施加轴向载荷，并获得短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架在该载荷下的应力，获得的应力低于短切碳纤维增强热塑性复合材料的屈服极限。
B、刚度工况：验证得到短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架的承载面位移为0.1mm，满足设计要求。
C、振动工况：验证得到的短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架固有频率为101.7Hz，满足设计要求。
D、功率放大倍数：在给定载荷谱进行随机振动分析后，质量块耦合点的功率放大倍数为1.6，满足设计要求。
E、质量：验证得到短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架质量3.8Kg。
而且，本申请实施例1还可通过对比例1来进行说明：
对比例1：
对卫星支架初体结构图2所示通过仿真的方法，对其强度、刚度、抗振动特性性能进行验证：
A、强度工况：施加轴向载荷，并获卫星支架初体在该载荷下的应力，获得的应力低于铝合金材料的屈服极限。
B、刚度工况：验证得到卫星支架初体的承载面位移为0.12mm，未超过技术要求指标。
C、振动工况：验证得到的卫星支架初体固有频率为109.5Hz，满足设计要求。
D、功率放大倍数：在给定载荷谱进行随机振动分析后，质量块耦合点的功率放大倍数为2.6。
E、质量：验证得到卫星支架初体质量7.0Kg。
对比发现，在均满足强度、刚度的条件下，短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架(图4)相比卫星支架初体结构(图2)，合计减重3.2Kg，减重效率45％，并且短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架(图4)的质量块耦合点的功率放大倍数较卫星支架初体结构(图2)降低了40％，说明基于短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架具有良好的隔/减振性能。
因此，选用具体实例1短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架设计流程以及制备方法，能够于较大载荷和复杂工况条件下，保证支架的连接性、整体强度稳定性以及隔振性能和使用寿命都达到可靠要求，而且采用注塑成型的加工方式，制造出的支架成本低、实用性强，易于规模化生产。
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 (1)
1.一种短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架，其特征在于，所述的卫星隔/减振支架包括承载面圆筒区域和四个桥梁式支腿结构，其中桥梁式支腿结构顶部为三角立板传力结构、末端为加筋式增强结构，桥梁式支腿结构为一体成型结构；
所述的承载面圆筒区域位于支架的最上方，包括承载面连接螺栓孔(7)、圆筒承载面(4)、限位块(5)、圆筒结构(6)、圆筒结构螺栓孔(8)；所述的圆筒结构(6)上设有均匀分布的四组圆筒结构螺栓孔(8)，其中每组圆筒结构螺栓孔(8)包括两列螺栓孔，圆筒结构(6)通过圆筒结构螺栓孔(8)与桥梁式支腿结构(14)的上端连接；圆筒结构(6)内侧均匀设有四个圆筒承载面(4)，圆筒承载面(4)的位置与圆筒结构螺栓孔(8)对应，每个所述圆筒承载面(4)端部设有一个承载面连接螺栓孔(7)，圆筒承载面(4)通过承载面连接螺栓孔(7)与在其上放置的综合控制器或其他设备进行连接；两个限位块(5)设于相邻的两个圆筒承载面(4)的上方，对称分布，用于限定综合控制器或其他设备安装的位置；
所述的四个桥梁式支腿结构(14)结构相同，在原始支腿填充区域(2)的基础上进行改进，每个桥梁式支腿结构(14)为顶部开口的箱体结构，包括一个底面和两个侧面，其中两个侧面与底面之间的镂空区域为第二拓扑孔(13)；所述两个侧面与底面连接的位置对称设有凹槽结构，作为第一拓扑孔(12)，第一拓扑孔(12)靠近三角立板传力结构区域；
所述的桥梁式支腿结构(14)的顶部设有三角立板传力结构区域；每个三角立板传力结构区域包括弧形连接板(11)、立板支撑结构(9)，三角立板支撑片(9-1)，支腿连接螺栓孔(16)以及圆筒与支腿连接螺栓(10)；所述的弧形连接板(11)上对称设有两列支腿连接螺栓孔(16)，支腿连接螺栓孔(16)与圆筒结构螺栓孔(8)位置对应，弧形连接板(11)外侧面与圆筒结构(6)内侧通过圆筒与支腿连接螺栓(10)连接；所述弧形连接板(11)内侧面中部设有三角立板支撑片(9-1)，三角立板支撑片(9-1)斜面设有板状的立板支撑结构(9)，且立板支撑结构(9)与三角立板支撑片(9-1)形成三角支撑结构，固定于圆筒承载面(4)下方；
所述的桥梁式支腿结构(14)下半部分的两个侧面为镂空结构，其内设置加筋式增强结构(15)；所述的加筋式增强结构(15)由第一斜杆(15-1)、第二斜杆(15-2)组成，所述的第一斜杆(15-1)、第二斜杆(15-2)呈八字形分布，能够增强结构的稳定性，防止桥梁式支腿下端出现扭转变形；
所述的短切碳纤维增强热塑性复合材料的卫星隔/减振支架的设计方法，包括：
1)进行复合材料标准拉伸实验测试，得到短切碳纤维增强热塑性复合材料的弹性常数和泊松比；
2)建立热塑性复合材料构件的有限元模型，并对原支架构型进行工况载荷下的变形模式分析；
3)根据工程实际工况中的载荷条件设计构建优化模型，采用拓扑优化方法中的广义算法进行支架结构件的优化设计，以最小应变能为优化目标，质量、频率为优化约束，建立优化数学模型并进行求解，确定概念参考图；
4)在拓扑优化的基础上，进行参数化建模，得到结构件的最优设计；
5)结合成型工艺修改优化的构件构型，注塑成型制备结构件，注塑成型过程具体为：将聚苯硫醚PPS中注入35%的碳纤维短纤，通过热塑性树脂高温高压注射成型或采用低粘度热塑性树脂体系的真空灌注一体成型。
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