本發(fā)明屬于航天技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)主要有兩大功能：(1)提供總體構(gòu)型并為儀器設(shè)備提供安裝支撐；(2)有足夠強度承受發(fā)射載載荷并保證必要的剛度和尺寸穩(wěn)定性。上述兩大功能對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)往往會提出相反的設(shè)計需求：為滿足總體構(gòu)型、盡可方便儀器安裝支撐，需要提供盡可能大的安裝空間、保證盡可能好的開敞性和重復(fù)拆裝性能；為保證有足夠的強度和剛度，希望結(jié)構(gòu)盡可能緊湊、盡量避免開敞式結(jié)構(gòu)、盡量采用剛性較好的結(jié)構(gòu)連接方式并盡可能減少拆裝次數(shù)。在具體應(yīng)用中，目前采用的衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)大多屬于上述兩種相互矛盾需求的折中。

其中，衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)按照承力方式可以分為：中心承力筒結(jié)構(gòu)、桿系結(jié)構(gòu)、箱板結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)。中心承力筒結(jié)構(gòu)有利于保證結(jié)構(gòu)強度和剛度，對設(shè)備安裝適應(yīng)性以及設(shè)備安裝空間利用率較差；桿系結(jié)構(gòu)對設(shè)備安裝適應(yīng)性較好，但承載和結(jié)構(gòu)剛度相對較差；箱板式結(jié)構(gòu)能提供更多的設(shè)備安裝面，但需要通過較多的法向支撐結(jié)構(gòu)提供結(jié)構(gòu)板的法向承載能力；殼體結(jié)構(gòu)相對箱板式結(jié)構(gòu)能通過殼體曲率提供更好的法向剛度，結(jié)合加強筋設(shè)計提高局部承載能力，但現(xiàn)有殼體結(jié)構(gòu)大多為金屬加筋殼、蜂窩夾層殼；但是，金屬加筋殼重量代價較大，蜂窩夾層殼則存在耐高溫性能較差的缺點。

如何降低衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重量、提高承載能力和使用溫度，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，降低了結(jié)構(gòu)重量、提高了結(jié)構(gòu)的承載能力和使用溫度。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，包括：蒙皮、多個米字帽形梁、中心開口c形梁、多個設(shè)備安裝c形梁、多個補強片和多個金屬加強塊；

所述多個米字帽形梁、中心開口c形梁、多個設(shè)備安裝c形梁和多個補強片均設(shè)置在所述蒙皮的其中一面；

所述多個設(shè)備安裝c形梁均布在所述中心開口c形梁的四周；

所述中心開口c形梁通過補強片與各個設(shè)備安裝c形梁連接；

設(shè)備安裝c形梁兩兩之間通過米字帽形梁連接；

中心開口c形梁與蒙皮之間通過米字帽形梁連接；

米字帽形梁和蒙皮形成封閉橫截面；

多個金屬加強塊分別設(shè)置在所述蒙皮的另一面、多個米字帽形梁的交叉點的對應(yīng)位置處。

在上述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)中，所述蒙皮、多個米字帽形梁、中心開口c形梁、多個設(shè)備安裝c形梁和多個補強片采用耐高溫碳纖維增強樹脂高溫一體固化成型。

在上述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)中，設(shè)備安裝c形梁包括依次編號的第1-12設(shè)備連接點；米字帽形梁包括交叉設(shè)置的四個方向的四組加強筋；

其中，

第1-3設(shè)備連接點分別與其中一個米字帽形梁的相鄰的三組加強筋的一端連接；

第4設(shè)備連接點位于補強片處；

第5-7設(shè)備連接點分別與另一個米字帽形梁的相鄰的三組加強筋的一端連接；

第8-12設(shè)備連接點分別與蒙皮連接。

在上述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)中，各個設(shè)備連接點上分別設(shè)置有金屬連接件。

在上述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)中，各個設(shè)備安裝c形梁分別與大質(zhì)量設(shè)備連接；

各個金屬連接件分別與小質(zhì)量設(shè)備連接。

在上述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)中，在米字帽形梁的帽形頂部，四組加強筋在厚度方向交叉錯開設(shè)置。

在上述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)中，各個米字帽形梁的橫截面高度為30mm，底部寬度為25mm，頂部寬度為20mm，側(cè)面厚度為2mm，頂部厚度為4mm。

在上述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)中，所述蒙皮為八棱柱截取得到的球冠，球冠高度為168mm；

所述蒙皮的平均厚度為1mm，所述蒙皮的平面內(nèi)投影尺寸為1700mm×1700mm。

在上述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)中，各個金屬加強塊上設(shè)置有對外的機械接口和載荷傳遞接口。

在上述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)中，所述多個米字帽形梁包括：第一米字帽形梁、第二米字帽形梁、第三米字帽形梁和第四米字帽形梁；

所述多個設(shè)備安裝c形梁包括：第一設(shè)備安裝c形梁、第二設(shè)備安裝c形梁、第三設(shè)備安裝c形梁和第四設(shè)備安裝c形梁；

所述多個補強片包括：第一補強片、第二補強片、第三補強片和第四補強片；

所述多個金屬加強塊包括：第一金屬加強塊、第二金屬加強塊、第三金屬加強塊和第四金屬加強塊。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明所述的輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，采用一體固化成型碳纖維增強樹脂復(fù)合材料，減輕了結(jié)構(gòu)重量。

(2)本發(fā)明所述的輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，采用蒙皮和加強筋通過高溫一體成型，提高了結(jié)構(gòu)的使用溫度。

(3)本發(fā)明所述的輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，采用橫截面封閉的加強筋并對帽形梁頂部增厚，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。

(4)本發(fā)明所述的輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計加強筋走向以及加強筋交叉點，保證纖維沿著承載方向連續(xù)，能在有限的重量代價下進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中一種輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)的正面投影圖；

圖2是本發(fā)明實施例中一種輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)的背面投影圖；

圖3是本發(fā)明實施例中一種米字帽形梁的橫截面圖；

圖4是本發(fā)明實施例中一種輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)的側(cè)面投影圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明公共的實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

在本實施例中，所述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，采用碳纖維增強樹脂材料設(shè)計，降低了結(jié)構(gòu)重量。所述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)的殼體設(shè)計為蒙皮加筋結(jié)構(gòu)，并依據(jù)實際尺寸約束，設(shè)計合適的曲率，提高了所述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)整體法向剛度和承載能力。此外，為提高使用溫度，選用耐高溫的樹脂，并將加強筋和蒙皮通過高溫固化成一體。

其次，所述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，在承受集中載荷和對外接口處都設(shè)計有加強筋，在生產(chǎn)工藝可行的前提下加強筋與蒙皮形成封閉橫截面；當(dāng)加強筋有交叉時，結(jié)合載荷傳力方向設(shè)計纖維方向，保證交叉點各個方向加強筋都有纖維連續(xù)的鋪層，通過加強筋實現(xiàn)傳力和保持加筋殼法向剛度，通過蒙皮保證加筋殼在殼體面內(nèi)的強度和剛度。

參照圖1，示出了本發(fā)明實施例中一種輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)的正面投影圖。參照圖2，示出了本發(fā)明實施例中一種輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)的背面投影圖。在本實施例中，所述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，包括：蒙皮1、多個米字帽形梁、中心開口c形梁3、多個設(shè)備安裝c形梁、多個補強片和多個金屬加強塊。

其中，需要說明的是，所述蒙皮、多個米字帽形梁、中心開口c形梁、多個設(shè)備安裝c形梁和、多個補強片采用耐高溫碳纖維增強樹脂高溫一體固化成型。米字帽形梁、設(shè)備安裝c形梁、補強片和金屬加強塊的具體數(shù)量可以根據(jù)實際情況設(shè)置，本實施例對此不作限制。

為了便于理解，下面以一定數(shù)量的米字帽形梁、設(shè)備安裝c形梁、補強片和金屬加強塊為例，對所述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1，所述多個米字帽形梁包括：第一米字帽形梁201、第二米字帽形梁202、第三米字帽形梁203和第四米字帽形梁204。所述多個設(shè)備安裝c形梁包括：第一設(shè)備安裝c形梁401、第二設(shè)備安裝c形梁402、第三設(shè)備安裝c形梁403和第四設(shè)備安裝c形梁404。所述多個補強片包括：第一補強片501、第二補強片502、第三補強片503和第四補強片504。如圖2，所述多個金屬加強塊包括：第一金屬加強塊601、第二金屬加強塊602、第三金屬加強塊603和第四金屬加強塊604。

在本實施例中，所述多個米字帽形梁、中心開口c形梁3、多個設(shè)備安裝c形梁和多個補強片均設(shè)置在所述蒙皮1的其中一面。也即，第一米字帽形梁201、第二米字帽形梁202、第三米字帽形梁203、第四米字帽形梁204、中心開口c形梁3、第一設(shè)備安裝c形梁401、第二設(shè)備安裝c形梁402、第三設(shè)備安裝c形梁403、第四設(shè)備安裝c形梁404、第一補強片501、第二補強片502、第三補強片503和第四補強片504均設(shè)置在所述蒙皮1的其中一面。

所述多個設(shè)備安裝c形梁均布在所述中心開口c形梁3的四周。如圖1，第一設(shè)備安裝c形梁401、第二設(shè)備安裝c形梁402、第三設(shè)備安裝c形梁403和第四設(shè)備安裝c形梁404以中心開口c形梁3為中心對稱設(shè)置。

所述中心開口c形梁3通過補強片與各個設(shè)備安裝c形梁連接。如圖1，中心開口c形梁3分別通過第一補強片501、第二補強片502、第三補強片503和第四補強片504與第一設(shè)備安裝c形梁401、第二設(shè)備安裝c形梁402、第三設(shè)備安裝c形梁403和第四設(shè)備安裝c形梁404連接。

設(shè)備安裝c形梁兩兩之間通過米字帽形梁連接。如圖1，第一設(shè)備安裝c形梁401和第二設(shè)備安裝c形梁402通過第一米字帽形梁201連接；第二設(shè)備安裝c形梁402和第三設(shè)備安裝c形梁403通過第二米字帽形梁202連接；第三設(shè)備安裝c形梁403和第四設(shè)備安裝c形梁404通過第三米字帽形梁203連接；第四設(shè)備安裝c形梁404和第一設(shè)備安裝c形梁401通過第四米字帽形梁204連接。

中心開口c形梁2與蒙皮1之間通過米字帽形梁連接。如圖1，中心開口c形梁2分別通過第一米字帽形梁201、第二米字帽形梁202、第三米字帽形梁203和第四米字帽形梁204與蒙皮1連接。

米字帽形梁和蒙皮1形成封閉橫截面。

多個金屬加強塊分別設(shè)置在所述蒙皮1的另一面、多個米字帽形梁的交叉點的對應(yīng)位置處。如圖2，第一米字帽形梁201、第二米字帽形梁202、第三米字帽形梁203和第四米字帽形梁204的交叉點的在蒙皮1的另一面(背面)的對應(yīng)位置分別為位置1、位置2、位置3和位置4，第一金屬加強塊601、第二金屬加強塊602、第三金屬加強塊603和第四金屬加強塊604分別設(shè)置在所述蒙皮1的另一面位置1、位置2、位置3和位置4處。

在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，設(shè)備安裝c形梁包括依次編號的第1-12設(shè)備連接點；米字帽形梁包括交叉設(shè)置的四個方向的四組加強筋。其中，第1-3設(shè)備連接點分別與其中一個米字帽形梁的相鄰的三組加強筋的一端連接；第4設(shè)備連接點位于補強片處；第5-7設(shè)備連接點分別與另一個米字帽形梁的相鄰的三組加強筋的一端連接；第8-12設(shè)備連接點分別與蒙皮連接。

例如，參照圖1，以第一設(shè)備安裝c形梁401、第一米字帽形梁201和第四米字帽形梁204為例：第一設(shè)備安裝c形梁401包括依次編號的第1-12設(shè)備連接點：第1設(shè)備連接點001、第2設(shè)備連接點002、第3設(shè)備連接點003、···、第12設(shè)備連接點012。當(dāng)然，設(shè)備連接點的數(shù)量可以根據(jù)實際情況設(shè)置，本實施例對此不作限制。第一米字帽形梁201包括：第一加強筋2011、第二加強筋2012、第三加強筋2013和第四加強筋2014。第四米字帽形梁204包括：第五加強筋2041、第六加強筋2042、第七加強筋2043和第八加強筋2044。

如圖1，第1設(shè)備連接點001、第2設(shè)備連接點002和第3設(shè)備連接點003分別與第一米字帽形梁201的相鄰的第一加強筋2011、第二加強筋2012和第三加強筋2013的一端連接；第4設(shè)備連接點004處設(shè)置有第一補強片501；第5設(shè)備連接點005、第6設(shè)備連接點006和第7設(shè)備連接點007分別與第四米字帽形梁204的相鄰的第五加強筋2041、第六加強筋2042、第七加強筋2043的一端連接。

優(yōu)選的，各個設(shè)備連接點上分別設(shè)置有金屬連接件。

在本實施例中，各個設(shè)備安裝c形梁分別與大質(zhì)量設(shè)備連接，大質(zhì)量設(shè)備的對應(yīng)載荷從設(shè)備安裝c形梁傳遞到蒙皮1和米字帽形梁上，并最終傳遞到蒙皮1背面的金屬加強塊上。各個金屬連接件分別與小質(zhì)量設(shè)備連接。小質(zhì)量設(shè)備的對應(yīng)載荷通過蒙皮1和設(shè)備安裝c形梁傳遞到蒙皮1背面的金屬加強塊上。金屬加強塊提供整體結(jié)構(gòu)對外接口，所有載荷最終都通過金屬加強塊傳遞出去。各個金屬加強塊上設(shè)置有對外的機械接口和載荷傳遞接口。本發(fā)明所述的輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)特別適用于法向承載質(zhì)量比大于3800n/kg的航天器殼體或者板式航天器結(jié)構(gòu)。

在本實施例的一優(yōu)選實施例中，在米字帽形梁的帽形頂部，四組加強筋在厚度方向交叉錯開設(shè)置，保證了米字帽形梁每個方向都有連續(xù)纖維承載，提高了米字帽形梁的整體承載能力。

其中，需要說明的是，在本實施例中，蒙皮1、多個米字帽形梁、中心開口c形梁3、多個設(shè)備安裝c形梁和多個補強片采用耐高溫碳纖維增強樹脂高溫一體固化成型。

在本實施例中，還給出了一組優(yōu)選的尺寸取值：

參照圖3，示出了本發(fā)明實施例中一種米字帽形梁的橫截面圖。優(yōu)選的，各個米字帽形梁的橫截面高度h可以但不僅限于為30mm，底部寬度l1可以但不僅限于為25mm，頂部寬度l2可以但不僅限于為20mm，側(cè)面厚度d1可以但不僅限于為2mm，頂部厚度d2可以但不僅限于為4mm。米字帽形梁的頂部相對于其他部位進(jìn)行了加厚，提高了米字帽形梁整體的抗彎能力。

參照圖4，示出了本發(fā)明實施例中一種輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)的側(cè)面投影圖。結(jié)合圖1和4，在本實施例中，所述蒙皮1可以是從八棱柱截取得到的球冠，球冠高度h可以但不僅限于為168mm；蒙皮1的平均厚度d可以但不僅限于為1mm，蒙皮1的平面內(nèi)投影尺寸可以但不僅限于為1700mm×1700mm。

在實際驗證中，已設(shè)計出重量為11.6kg、承受45000n載荷、長期使用溫度在200℃以上的所述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，所述輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)的承載能力已經(jīng)通過試驗驗證。

綜上所述，本發(fā)明所述的輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，采用一體固化成型碳纖維增強樹脂復(fù)合材料，減輕了結(jié)構(gòu)重量。且，蒙皮和加強筋通過高溫一體成型，提高了結(jié)構(gòu)的使用溫度。

其次，本發(fā)明所述的輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，采用橫截面封閉的加強筋并對帽形梁頂部增厚，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。

此外，本發(fā)明所述的輕量化碳纖維增強樹脂復(fù)合材料加筋板殼主承力結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計加強筋走向以及加強筋交叉點，保證纖維沿著承載方向連續(xù)，能在有限的重量代價下進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

以上所述，僅為本發(fā)明最佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。