CN205022842U - 一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件，属于机械技术领域。该结构件包括外层直筒蒙皮、芯层和内层直筒蒙皮；外层直筒蒙皮、芯层和内层直筒蒙皮构成三层夹心结构，芯层位于结构件最里层，芯层位于结构件中层，外层直筒蒙皮位于结构件最外层；芯层由连接筋与弧顶周期排列组成复杂三维点阵结构，弧顶曲率半径与其连接蒙皮曲率半径相同。本实用新型的钛合金点阵轻量化筒形结构产品，其高温承载能力远高于复合材料，重量仅为同类型波纹板结构件的60％左右，是一种有效提升高速率飞行器性能的产品，极具前瞻性。

Description

一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件

技术领域

本实用新型涉及一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件，属于机械技术领域。

背景技术

随着航空航天飞行器的发展，其独特的力学环境和服役需求对结构设计提出了新的要求：结构轻型化、最佳构型设计、构件多功能化。点阵夹层结构是一种复杂的空间网络结构，其特点是轻质、高强、吸波，符合现代化飞行器的发展需求。轻量化对于飞行器的装载、运输以及射程、飞行速度等方面均有较大影响。随着研究人员不断的创新探索，已提出诸多适用于航空航天领域的轻量化结构设计，主要包括：波纹板结构、蜂窝结构、瓦楞结构、拓扑优化结构、泡沫夹心结构和点阵结构等。其中点阵结构具有极佳的轻质高强性能，是当前国际学术界公认的最有前景的新一代超轻质高强结构之一，相比于其他轻量化结构，点阵结构更适用于航空航天飞行器高承载、轻重量的关键部件中。

目前，针对筒形件点阵轻量化结构设计，主要有以下几种：四面体点阵、Kagome点阵、单层金字塔点阵、双层金字塔点阵、二维重复加筋、三维类桁架结构等。采用均匀化方法对以上点阵结构多孔胞元类芯子进行数值模拟，得到各种结构的等效本构模型，综合分析其承载能力、失效形式、减重收益等，发现金字塔结构与带有金字塔子结构的Kagome型芯层为最优构型，其承载能力高于同尺寸的其他点阵结构，而具有最轻的重量。

金字塔型点阵结构形式复杂，仅在复合材料领域得到了应用，其主要结构形式为杆件周期拼接。该种结构难以在金属材料中推广应用。

目前，点阵结构因其结构过于复杂，仅在复合材料领域应用广泛，但复合材料在飞行器与空气剧烈摩擦产生的高温高压下易发生失稳压溃。因此，亟需一种在复杂严酷的环境下能够承载高强载荷的轻量化结构产品。

实用新型内容

本实用新型提供了一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件，可用于制造高尺寸精度、无残余应力的三维复杂结构产品，解决了目前市场该类产品短缺的现状。

为了解决上述问题，本实用新型的技术方案如下：一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件，该结构件包括外层直筒蒙皮1、芯层2和内层直筒蒙皮3；其中：外层直筒蒙皮1、芯层2和内层直筒蒙皮3构成三层夹心结构，芯层2位于结构件最里层，芯层2位于结构件中层，外层直筒蒙皮1位于结构件最外层；所述芯层由连接筋与弧顶周期排列组成三维点阵结构，弧顶曲率半径与其连接蒙皮曲率半径相同。

优选地，所述外层直筒蒙皮1，直径为50mm-150mm，高为100mm-300mm，壁厚为0.1mm-0.3mm。

更优选地，所述外层直筒蒙皮1，直径为80mm，高为100mm，壁厚为0.1mm。

优选地，所述外层直筒蒙皮1，为TC4钛合金、TA15钛合金、Ti55合金或Ti2AlNb直筒蒙皮。

优选地，所述芯层2，为TC4钛合金、TA15钛合金、Ti55合金或Ti2AlNb芯层，壁厚为0.06mm-0.2mm。

优选地，所述内层直筒蒙皮3直径为40mm-140mm，高为100mm-300mm，壁厚为0.1mm-0.3mm，。

更优选地，所述内层直筒蒙皮3直径为70mm，高度为100mm，壁厚为0.1mm。

优选地，所述内层直筒蒙皮3，为TC4钛合金、TA15钛合金、Ti55合金或Ti2AlNb直筒蒙皮；所述内层直筒蒙皮3为整体直筒或与点阵结构相配合的镂空直筒。

优选地，所述芯层2，与外层直筒蒙皮1和内层直筒蒙皮3通过钎焊连接形成整体结构件。

优选地，所述三维点阵结构，为金字塔点阵、四面体点阵、Kagome点阵结构。

本实用新型提出了一种钛合金筒形点阵结构件，其具有以下结构特征：

1.结构件材质为轻质高强的TC4钛合金材料；2.结构件为三层夹心结构，最优选内外分别为φ80*100mm、φ70*100mm的直筒蒙皮，蒙皮壁厚为0.1mm；芯层壁厚为0.06mm，3.芯层由连接筋与弧顶周期排列组成复杂三维点阵结构，弧顶的曲率半径与其连接蒙皮曲率半径相一致；4.将芯板蒙皮经钎焊连接形成整体结构件；5.整体尺寸公差控制在±0.2mm以内。本实用新型的结构特征决定其优异的力学性能，在抗压与抗弯曲方面尤为明显。

2.该结构件的结构特征决定其优异的力学性能，尖端弧顶为芯层与蒙皮连接的接头位置，四周连接筋板起到主要承载和传力作用，为结构件提供了优异的强度和刚度。在压力载荷作用下，蒙皮将力传导给金字塔连接筋，连接筋将集中力分散到各个阵点，各阵点将力均匀分布在另一侧蒙皮，利用圆筒外载抗压能力极强的特点为结构件提供整体强度。在弯曲载荷作用下，连接筋一侧受压、一侧受拉，在两种应力的联合作用下，为结构件提供良好的刚度。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提出了一种有利于金属材料成形的金字塔点阵轻量化筒形件。本实用新型的钛合金点阵轻量化筒形结构产品，其高温承载能力远高于复合材料，重量仅为同类型波纹板结构件的60％左右，是一种有效提升高速率飞行器性能的产品，极具前瞻性。

附图说明

图1为钛合金金字塔点阵结构零件示意图；

(a1，立体图；a2，俯视图；1，外层直筒蒙皮；2，芯层；3，内层直筒蒙皮)。

图2为钛合金金字塔点阵芯层结构示意图；

(a1，立体图；a2，正视图；2，芯层)。

图3为钛合金金字塔点阵结构零件示意图；

(1，外层直筒蒙皮；2，芯层；3，内层镂空直筒蒙皮)。

图4为钛合金四面体点阵结构零件示意图；

(a1，钛合金四面体点阵结构零件立体图；a2，钛合金四面体点阵结构零件俯视图；a3、a4，钛合金四面体点阵芯层结构立体图；1，外层直筒蒙皮；2，芯层；3，内层直筒蒙皮)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。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实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。

实施例1

结合图1-2说明本实施方式，本实施方式的一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件，包括外层直筒蒙皮1、芯层2和内层直筒蒙皮3；其中：外层直筒蒙皮1、芯层2和内层直筒蒙皮3构成三层夹心结构，芯层2位于结构件最里层，芯层2位于结构件中层，外层直筒蒙皮1位于结构件最外层；所述芯层由连接筋与弧顶周期排列组成复杂三维点阵结构，弧顶曲率半径与其连接蒙皮曲率半径相同。

外层直筒蒙皮1，为TC4钛合金直筒蒙皮，直径为80mm，高为100mm，壁厚为0.1mm。

芯层2，为TC4钛合金芯层，壁厚为0.1mm。

内层直筒蒙皮3为TC4钛合金直筒蒙皮，直径为70mm，高为100mm，壁厚为0.1mm。

芯层2与外层直筒蒙皮1和内层直筒蒙皮3通过钎焊连接形成整体结构件。

三维点阵结构为金字塔点阵结构。

实施例2

结合图3说明本实施方式，本实施方式的一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件，包括外层直筒蒙皮1、芯层2和内层镂空直筒蒙皮3；其中：外层直筒蒙皮1、芯层2和内层镂空直筒蒙皮3构成三层夹心结构，芯层2位于结构件最里层，芯层2位于结构件中层，外层直筒蒙皮1位于结构件最外层；所述芯层由连接筋与弧顶周期排列组成复杂三维点阵结构，弧顶曲率半径与其连接蒙皮曲率半径相同。

外层直筒蒙皮1，为TA15钛合金直筒蒙皮，直径为50mm，高为150mm，壁厚为0.2mm。

芯层2，为TA15钛合金芯层，壁厚为0.06mm。

内层镂空筒蒙皮3为TA15钛合金直筒蒙皮，直径为40mm，高为150mm，壁厚为0.2mm，内层镂空筒蒙皮3十字筋连接处与芯层阵点位置相配合。

芯层2与外层直筒蒙皮1和内层镂空筒蒙皮3通过钎焊连接形成整体结构件。

复杂三维点阵结构为金字塔点阵结构。

实施例3

结合图4说明本实施方式，本实施方式的一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件，包括外层直筒蒙皮1、芯层2和内层直筒蒙皮3；其中：外层直筒蒙皮1、芯层2和内层直筒蒙皮3构成三层夹心结构，芯层2位于结构件最里层，芯层2位于结构件中层，外层直筒蒙皮1位于结构件最外层；所述芯层由连接筋与弧顶周期排列组成复杂三维点阵结构，弧顶曲率半径与其连接蒙皮曲率半径相同。

外层直筒蒙皮1，为Ti55钛合金直筒蒙皮，直径为150mm，高为300mm，壁厚为0.3mm。

芯层2，为Ti55钛合金芯层，壁厚为0.1mm。

内层直筒蒙皮3为Ti55钛合金直筒蒙皮，直径为140mm，高为300mm，壁厚为0.3mm。

芯层2与外层直筒蒙皮1和内层直筒蒙皮3通过钎焊连接形成整体结构件。

复杂三维点阵结构为四面体点阵结构。

实施例4

本实施方式的一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件，包括外层直筒蒙皮1、芯层2和内层直筒蒙皮3；其中：外层直筒蒙皮1、芯层2和内层直筒蒙皮3构成三层夹心结构，芯层2位于结构件最里层，芯层2位于结构件中层，外层直筒蒙皮1位于结构件最外层；所述芯层由连接筋与弧顶周期排列组成复杂三维点阵结构，弧顶曲率半径与其连接蒙皮曲率半径相同。

外层直筒蒙皮1，为Ti2A1Nb钛合金直筒蒙皮，直径为150mm，高为300mm，壁厚为0.3mm。

芯层2，为Ti2AlNb钛合金芯层，壁厚为0.2mm。

内层直筒蒙皮3为Ti2AlNb钛合金直筒蒙皮，直径为140mm，高为300mm，壁厚为0.3mm。

芯层2与外层直筒蒙皮1和内层直筒蒙皮3通过钎焊连接形成整体结构件。

复杂三维点阵结构为Kagome点阵结构。

本实用新型具有以下结构特征：

1.结构件材质为轻质高强的TC4钛合金材料；2.结构件为三层夹心结构，最优选内外分别为φ80*100mm、φ70*100mm的直筒蒙皮，蒙皮壁厚为0.1mm；芯层厚度为0.06mm，3.芯层由连接筋与弧顶周期排列组成复杂三维点阵结构，弧顶的曲率半径与其连接蒙皮曲率半径相一致；4.将芯板蒙皮经钎焊连接形成整体结构件；4.整体尺寸公差控制在±0.2mm以内。本实用新型的结构特征决定其优异的力学性能，在抗压与抗弯曲方面尤为明显。

2.该结构件的结构特征决定其优异的力学性能，尖端弧顶为芯层与蒙皮连接的接头位置，四周连接筋板起到主要承载和传力作用，为结构件提供了优异的强度和刚度。在压力载荷作用下，蒙皮将力传导给金字塔连接筋，连接筋将集中力分散到各个阵点，各阵点将力均匀分布在另一侧蒙皮，利用圆筒外载抗压能力极强的特点为结构件提供整体强度。在弯曲载荷作用下，连接筋一侧受压、一侧受拉，在两种应力的联合作用下，为结构件提供良好的刚度。

以上所述仅为本实用新型示意性具体实施方案，并非用以限制本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (10)

1.一种高速率飞行器用钛合金筒形轻量化结构件，其特征在于，包括外层直筒蒙皮(1)、芯层(2)和内层直筒蒙皮(3)；其中：外层直筒蒙皮(1)、芯层(2)和内层直筒蒙皮(3)构成三层夹心结构，芯层(2)位于结构件最里层，芯层(2)位于结构件中层，外层直筒蒙皮(1)位于结构件最外层；所述芯层由连接筋与弧顶周期排列组成三维点阵结构，弧顶曲率半径与其连接蒙皮曲率半径相同。

2.权利要求1所述结构件，其特征在于，所述外层直筒蒙皮(1)，直径为50mm-150mm，高为100mm-300mm，壁厚为0.1mm-0.3mm。

3.权利要求2所述结构件，其特征在于，所述外层直筒蒙皮(1)，直径为80mm，高为100mm，壁厚为0.1mm。

4.权利要求1所述结构件，其特征在于，所述外层直筒蒙皮(1)，为TC4钛合金、TA15钛合金、Ti55合金或Ti2AlNb直筒蒙皮。

5.权利要求1所述结构件，其特征在于，所述芯层(2)，为TC4钛合金、TA15钛合金、Ti55合金或Ti2AlNb芯层，壁厚为0.06mm-0.2mm。

6.权利要求1所述结构件，其特征在于，所述内层直筒蒙皮(3)直径为40mm-140mm，高为100mm-300mm，壁厚为0.1mm-0.3mm。

7.权利要求6所述结构件，其特征在于，所述内层直筒蒙皮(3)直径为70mm，高度为100mm，壁厚为0.1mm。

8.权利要求1所述结构件，其特征在于，所述内层直筒蒙皮(3)，为TC4钛合金、TA15钛合金、Ti55合金或Ti2AlNb直筒蒙皮；所述内层直筒蒙皮(3)为整体直筒或与点阵结构相配合的镂空直筒。

9.权利要求1所述结构件，其特征在于，所述芯层(2)，与外层直筒蒙皮(1)和内层直筒蒙皮(3)通过钎焊连接形成整体结构件。

10.权利要求1所述结构件，其特征在于，所述三维点阵结构，为金字塔点阵、四面体点阵或Kagome点阵结构。