CN116428077A - 具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构 - Google Patents

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孙直
郝文宇
李佳霖
叶书睿
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Abstract

本发明公开了一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，属于传力结构技术领域，本体包括上承力台面、下承力台面、十字垫片、连接环以及工字截面承力梁，工字截面承力梁上设置有贯穿横筋，四个工字截面承力梁的一端设置在连接环的外侧，工字截面承力梁的上表面和下表面一端与连接环外侧固定连接，四个下承力台面设置在连接环的外侧，下承力台面与十字垫片相连接，四个工字截面承力梁的上表面和下表面的另一端通过圆弧倒角相连并与上承力台面相连接，上承力台面与桁架结构相连接。采用上述结构的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，在保证安全性的情况下，能够提高主传力结构的刚强度，并且实现结构质量的最小化。

Description

具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构
技术领域
本发明涉及传力结构技术领域，尤其是涉及一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构。
背景技术
我国航天工程的实施都离不开运载火箭，其作为航天器进入空间的主要载具，其运载能力直接决定了在宇宙空间中探索的范围。运载能力是衡量一个运载火箭的重要参数指标，该项指标受结构质量比、发动机比冲、速度损失和级间比等因素影响。为了进一步提高我国运载火箭的运载能力，研究人员对运载火箭各个部件展开了一系列的拓扑优化工作。传力机架结构作为运载火箭发动机与箭体之间连接的关键部件，其刚度对发动机推力载荷能否有效传递至箭体起着决定性作用，其重量又直接影响运载火箭发动机的推重比，即发动机推重比越大，火箭运载能力越强，因此传力机架结构在整个火箭结构轻量化设计方面中占据着极为重要的地位。因此迫切需要更新传力机架的结构，保证结构安全的前提下实现推重比的最大化。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，在保证安全性的同时实现了结构的轻量化。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，包括本体，本体包括上承力台面、下承力台面、十字垫片、连接环以及工字截面承力梁，所述工字截面承力梁两侧设置有贯穿横筋，四个所述工字截面承力梁的一端圆周分布在连接环的外侧，所述工字截面承力梁的上表面和下表面一端与连接环外侧固定连接，连接环的外侧圆周分布有四个下承力台面，所述四个下承力台面与所述十字垫片相连接，四个所述工字截面承力梁的上表面和下表面的另一端通过圆弧倒角相连并与上承力台面相连接，上承力台面与桁架结构相连接。
优选的，所述工字截面承力梁的上表面与水平面的夹角为0-5°，所述工字截面承力梁的下表面为弧形。
优选的，所述贯穿横筋一端通过圆弧倒角与上表面相连接，所述贯穿横筋的另一端通过圆弧倒角与下表面相连接，所述贯穿横筋的倾斜角度为30-60°。
优选的，对称设置的上承力台面的最外缘间距为1-3米。
优选的，所述贯穿横筋的厚度为所述工字截面承力梁的厚度的2-3倍，所述工字截面承力梁的厚度大于等于10mm。
优选的，所述工字截面承力梁的厚度沿连接环到上承力台面方向相等。
优选的，所述工字截面承力梁的厚度沿连接环到上承力台面方向逐步增大或逐步减少，贯穿横筋也随之逐步增大或逐步减少。
优选的，所述工字截面承力梁的厚度沿连接环到上承力台面方向先逐步减小再逐步增大，贯穿横筋也随之逐步减小再逐步增大。
优选的，所述本体的材质为高强度钢，所述高强度钢为屈服强度在750MPa以上的合金钢，采用铸造或焊接或增材制造技术进行加工。
优选的，所述本体的材质为铝合金或钛合金，采用铸造或焊接或增材制造技术进行加工。
因此，本发明采用上述结构的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，具有以下有益效果：
(1)、采用工字截面承力梁为整体结构提供了较高的抗弯强度，且设置有贯穿横筋进一步提高了刚强度，实现了结构的质量最小化，在满足安全性的前提下，极大地节约了制造成本。
(2)本体尺寸在1-3米，可以根据实际尺寸，载荷形式进行修改使其满足规定的力学性质，在型号尺寸上适用性很广泛。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构整体结构示意图；
图2为本发明无十字垫片的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构示意图；
图3为本发明一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构反面结构示意图；
图4为本发明工字截面承力梁截面示意图。
附图标记
1、上承力台面；2、下承力台面；3、十字垫片；4、连接环；5、工字截面承力梁；51、上表面；52、下表面；6、贯穿横筋。
具体实施方式
实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的实施方式作详细说明。
如图1-3所示，一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，包括本体，本体包括上承力台面1、下承力台面2、十字垫片3、连接环4以及工字截面承力梁5。
四个工字截面承力梁5的一端圆周分布在连接环4的外侧，工字截面承力梁5的上表面51和下表面52一端与连接环4外侧固定连接，连接环4的外侧圆周分布有四个下承力台面2，四个下承力台面2与十字垫片3相连接，十字垫片3中部开设有通孔，通孔尺寸与连接环4尺寸相适配。四个工字截面承力梁5的上表面51和下表面52的另一端通过圆弧倒角相连并与上承力台面1相连接，工字截面承力梁5的上表面51与水平面的夹角为5°为一个倾斜平面，工字截面承力梁5的下表面52为弧形，即上表面51和下表面52交会后与上承力台面1相连接。
工字截面承力梁5设置有贯穿横筋6，贯穿横筋6一端通过圆弧倒角与上表面51相连接，贯穿横筋6的另一端通过圆弧倒角与下表面52相连接，本实施例贯穿横筋6的倾斜角度为45°，进一步提高了工字截面承力梁5的刚强度。连接处采用光滑的圆弧倒角连接，减少应力集中。
本实施例具体尺寸如下：
本实施例贯穿横筋6和工字截面承力梁5的厚度为等厚设置，对称设置的上承力台面1的最外缘间距为1400mm，整体最大高度为230mm。上表面51和下表面52厚度为15mm，如图4所示，贯穿横筋6的厚度(h)为20mm，工字截面承力梁5的厚度(H)为10mm。整体结构采用30CrMnSiA材料制造，材料密度为7.8g/mm3，结构总质量约为385kg。通过数值模拟在上表面51通过施加零位载荷进行结构分析，其整体结构最大应力小于材料最大屈曲模量1080MPa，最大轴向位移为14.7mm，最大横向位移为3.65mm均满足一般主机架刚强度要求。所以本实施例的主机架结构在一般工况作用下都能很好地保证稳定性。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：工字截面承力梁5的厚度沿连接环4到上承力台面1方向逐步增大或逐步减少，相应的贯穿横筋6以相同的规律变化。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：工字截面承力梁5的厚度沿连接环4到上承力台面1方向先逐步减小再逐步增大，相应的贯穿横筋6以相同的规律变化。
实施例2和实施例3均进行了数值模拟均达到了一般主机架刚强度要求。
工字截面承力梁5，采用了工字梁式形式主截面，该截面是由工字梁式结构与横跨截面的贯穿横筋6组成，利用工字梁式结构实现了结构的轻量化设计，并且提高了传力机架在轴向推力作用下的抗弯能力。数值模拟表明，在零位工况下以及0～15°工况下该优化构型均满足的刚强度要求，并且体现出了较强的抗弯能力。其结构形式较为简单，在制造工艺上没有较为苛刻的条件，在一定程度上降低了结构的制造成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，包括本体，其特征在于：本体包括上承力台面、下承力台面、十字垫片、连接环以及工字截面承力梁，所述工字截面承力梁上设置有贯穿横筋，四个所述工字截面承力梁的一端圆周分布在连接环的外侧，所述工字截面承力梁的上表面和下表面一端与连接环外侧固定连接，连接环的外侧圆周分布有四个下承力台面，所述四个下承力台面与所述十字垫片相连接，四个所述工字截面承力梁的上表面和下表面的另一端通过圆弧倒角相连并与上承力台面相连接，上承力台面与桁架结构相连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，其特征在于：所述工字截面承力梁的上表面与水平面的夹角为0-5°，所述工字截面承力梁的下表面为弧形。
3.根据权利要求2所述的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，其特征在于：所述贯穿横筋一端通过圆弧倒角与上表面相连接，所述贯穿横筋的另一端通过圆弧倒角与下表面相连接，所述贯穿横筋的倾斜角度为30-60°。
4.根据权利要求3所述的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，其特征在于：对称设置的上承力台面的最外缘间距为1-3米。
5.根据权利要求4所述的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，其特征在于：所述贯穿横筋的厚度为所述工字截面承力梁的厚度的2-3倍，所述工字截面承力梁的厚度大于等于10mm。
6.根据权利要求5所述的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，其特征在于：所述工字截面承力梁的厚度沿连接环到上承力台面方向相等。
7.根据权利要求5所述的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，其特征在于：所述工字截面承力梁的厚度沿连接环到上承力台面方向逐步增大或逐步减少，贯穿横筋也随之逐步增大或逐步减少。
8.根据权利要求5所述的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，其特征在于：所述工字截面承力梁的厚度沿连接环到上承力台面方向先逐步减小再逐步增大，贯穿横筋也随之逐步减小再逐步增大。
9.根据权利要求1所述的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，其特征在于：所述本体的材质为高强度钢，所述高强度钢为屈服强度在750MPa以上的合金钢，采用铸造或焊接或增材制造技术进行加工。
10.根据权利要求1所述的一种具有工字截面承力梁的运载火箭发动机主机架结构，其特征在于：所述本体的材质为铝合金或钛合金，采用铸造或焊接或增材制造技术进行加工。
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