多層格柵承力筒的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及超輕質(zhì)材料格柵類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體涉及一種多層格柵承力筒。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)件的高性能化和輕量化技術(shù)已成為當(dāng)今航空航天領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。為了使火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等飛行器具備優(yōu)良的使用性能，如射程遠(yuǎn)、速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等，這些飛行器的構(gòu)件輕量化成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)構(gòu)輕量化的重要技術(shù)措施包括采用承載效率高的結(jié)構(gòu)構(gòu)型和實(shí)現(xiàn)箭體、彈體、艙體等結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。在以往的設(shè)計(jì)中，鋁合金由于優(yōu)異的性能常被選為制造飛行器結(jié)構(gòu)的首選材料。采用輕質(zhì)、高強(qiáng)的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(如格柵等)替代鋁合金殼段，可大幅減少惰性質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)超輕量化。
[0003]格柵結(jié)構(gòu)自上世紀(jì)七十年代以來(lái)發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)材料相比，格柵結(jié)構(gòu)有很多突出的優(yōu)勢(shì):受力時(shí)其肋板主要承受軸向拉壓作用，結(jié)構(gòu)承載力相對(duì)較高；相對(duì)密度小，具有優(yōu)異的比強(qiáng)度和比剛度；其結(jié)構(gòu)抗屈曲能力強(qiáng)，尤其是多級(jí)格柵，自穩(wěn)定性高；孔隙比較大，具有開(kāi)放的空間構(gòu)型，便于結(jié)構(gòu)的多功能設(shè)計(jì)，比如填放隔熱材料以制造絕熱板或者填放電磁波吸收泡沫以形成雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)等；有很高的機(jī)械能吸收效率，固有的多孔特性使其在沖擊載荷作用下，能夠發(fā)生較大的塑性變形，從而有效地消耗沖擊能量，體現(xiàn)出遠(yuǎn)優(yōu)于實(shí)體板的吸能性能；另外，通過(guò)智能材料進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)變形，從而具備致動(dòng)能力。由于具備這些優(yōu)良的特性，格柵已被成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的多個(gè)方面，如火箭承力筒、航天器機(jī)身、火箭級(jí)間段、直升機(jī)尾翼等。
[0004]復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)結(jié)合了格柵結(jié)構(gòu)的構(gòu)型優(yōu)勢(shì)和復(fù)合材料高性能的優(yōu)勢(shì)，承載效率更高，已成為目前超輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的研宄熱點(diǎn)之一。采用碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合材料制備格柵圓柱殼，可以充分發(fā)揮CFRP復(fù)合材料高比強(qiáng)度和高比模量的特點(diǎn):通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使單向碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料沿載荷傳遞路徑布置，不受力或受力較小的部分少布置甚至不布置材料；同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)可使復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)肋主要只承受拉-壓載荷，整個(gè)結(jié)構(gòu)成為拉伸主導(dǎo)型結(jié)構(gòu)(SDS)，單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沿纖維方向的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，從而減少材料用量，達(dá)到減重的目的。此外，格柵結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上具有很強(qiáng)的靈活性，它的空間開(kāi)放構(gòu)型使得結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行多功能設(shè)計(jì)。
[0005]但是，包括格柵筒在內(nèi)的大尺寸筒體結(jié)構(gòu)由于筒壁相對(duì)較薄而易發(fā)生結(jié)構(gòu)整體屈曲失穩(wěn)，如何增強(qiáng)穩(wěn)定性是大型筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。增加壁厚雖然會(huì)提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，但會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量大幅度增加，所以保證結(jié)構(gòu)重量的前提下提高筒體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是現(xiàn)今的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。大型鋁合金殼段設(shè)計(jì)中，往往需要在殼段中每間隔40cm?50cm設(shè)置中間框，以提高殼段的抗失穩(wěn)能力，但是這種中間框設(shè)計(jì)增加了贅重。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)、力學(xué)性能高、不易發(fā)生結(jié)構(gòu)整體屈曲失穩(wěn)、可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的多層格柵承力筒。
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提出以下技術(shù)方案:
[0008]—種多層格柵承力筒，所述多層格柵承力筒是由至少兩個(gè)單層格柵筒嵌套而成，相鄰所述單層格柵筒的網(wǎng)格疏密程度不同。
[0009]上述的多層格柵承力筒中，優(yōu)選的，所述多層格柵承力筒中，單層格柵筒網(wǎng)格的疏密程度由內(nèi)至外逐層遞增或遞減，所述單層格柵筒為圓柱筒或圓錐筒。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以增大相鄰單層格柵筒之間的界面面積。
[0010]上述的多層格柵承力筒中，優(yōu)選的，所述單層格柵筒中，所述網(wǎng)格是由兩種或兩種以上不同取向的肋條交叉構(gòu)成，每種取向的肋條至少有兩根，所述肋條與單層格柵筒筒體周線的夾角為Θ，且0°彡Θ <180°。
[0011]上述的多層格柵承力筒中，優(yōu)選的，所述單層格柵筒的肋條厚度T為3mm?25mm，肋條寬度B為5mm?20mm，同一取向的相鄰肋條間距a為30mm?300mmo
[0012]上述的多層格柵承力筒，優(yōu)選的，所述單層格柵筒的單元網(wǎng)格構(gòu)型包括菱形、方形、六邊形、Kagome形、三角形或米字形。
[0013]上述的多層格柵承力筒，優(yōu)選的，所述單層格柵筒是由單向連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)成；在所述單向連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料中，增強(qiáng)纖維包括碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維中的一種或多種，樹(shù)脂基體包括環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、不飽和聚酯、酚醛樹(shù)脂和乙烯基樹(shù)脂中的一種或多種。
[0014]上述的多層格柵承力筒，優(yōu)選的，所述單層格柵筒是由各向同性材料制成，所述各向同性材料包括金屬材料或工程塑料，所述金屬材料包括鋁合金、鎂合金、鈦合金和結(jié)構(gòu)鋼中的一種或多種，所述工程塑料包括聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(即ABS)和聚氯乙烯(即PVC)中的一種或多種。工程塑料多為通用塑料或特種塑料。
[0015]本實(shí)用新型的多層格柵承力筒中，單層格柵筒由兩種或兩種以上不同取向的肋條交叉構(gòu)成，設(shè)單層格柵筒的圓柱(錐)側(cè)面內(nèi)肋條與該圓柱(錐)周線平行的稱為環(huán)向肋條，與該圓柱(錐)周線垂直的稱為縱向肋條，其它取向的肋條稱為螺旋向肋條。
[0016]本實(shí)用新型的多層格柵承力筒的內(nèi)徑通常彡1000mm。
[0017]為了克服常規(guī)大尺寸格柵承力筒在軸壓下易發(fā)生結(jié)構(gòu)整體屈曲失穩(wěn)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提出一種新型多層格柵承力結(jié)構(gòu)，用于設(shè)計(jì)飛機(jī)機(jī)身、火箭箱間段和級(jí)間段等大尺寸圓筒結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高其力學(xué)性能，進(jìn)而達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化的目的。通過(guò)類似設(shè)計(jì)也可得到多層格柵板、殼等結(jié)構(gòu)；該多層結(jié)構(gòu)構(gòu)型的制備材料既可以為金屬材料，也可以為復(fù)合材料；當(dāng)采用復(fù)合材料制備時(shí)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的超輕質(zhì)化。
[0018]該多層格柵承力筒結(jié)構(gòu)由單元網(wǎng)格疏密不同的多層格柵筒結(jié)構(gòu)嵌套而成，即采用格柵增強(qiáng)格柵的方式提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，從而減去了中間框等贅重，提高了承載效率；在工程應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際需要在多層格柵筒的外表面覆以蒙皮。多層格柵承力筒結(jié)構(gòu)可由兩層或兩層以上的厚度不等、網(wǎng)格疏密不同的格柵組成。其最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)構(gòu)型由內(nèi)外兩層格柵組成，其中網(wǎng)格稀疏的格柵層可看作增強(qiáng)筋對(duì)網(wǎng)格密集的格柵層進(jìn)行增強(qiáng)。當(dāng)外層格柵的網(wǎng)格較稀疏時(shí)，該圓筒可看作外增強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)；當(dāng)內(nèi)層格柵的網(wǎng)格較稀疏時(shí)，該圓筒可看作內(nèi)增強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。在工程中可根據(jù)實(shí)際需要在多層格柵筒的外表面覆以蒙皮，為了方便與結(jié)構(gòu)外蒙皮的連接及增強(qiáng)外蒙皮的屈曲穩(wěn)定性，最外層格柵應(yīng)采用網(wǎng)格較密集的結(jié)構(gòu)，而其他各層根據(jù)受力需求采用網(wǎng)格較稀疏或較密集的格柵結(jié)構(gòu)。多層結(jié)構(gòu)的采用既可以提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，保證了結(jié)構(gòu)的承載性能，同時(shí)減少了材料用量，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化的目的。采用單向連續(xù)纖維成型該多層格柵筒狀結(jié)構(gòu)，可充分發(fā)揮復(fù)合材料密度低、纖維方向力學(xué)性能高以及格柵結(jié)構(gòu)承載效率高的綜合優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)的超輕質(zhì)設(shè)計(jì)。
[0019]格柵單元構(gòu)型可以為菱形、方形、六邊形、Kagome構(gòu)型、三角形等，不同單元構(gòu)型格柵結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也有很大不同。在多層格柵承力筒結(jié)構(gòu)中，每層格柵構(gòu)型的選擇可從荷載和工藝兩方面考慮。根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際所處的力學(xué)環(huán)境選擇恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)格單元構(gòu)型，通過(guò)調(diào)節(jié)不同格柵層的肋條寬度、厚度、長(zhǎng)度、角度等參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)其力學(xué)的各向異性，從而使材料的性能在具體力學(xué)環(huán)境中得到充分發(fā)揮。在軸壓載荷條件下，不同格柵層變形協(xié)調(diào)、共同承力，從而使整體結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性大幅度增強(qiáng)。為了減輕多層格柵筒結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，相鄰格柵層之間需要良好的連接。因此，相鄰格柵層應(yīng)采用同種或相似的格柵構(gòu)型以盡量增大兩層格柵肋條之間的接觸面，并保證界面的力學(xué)性能，以使結(jié)構(gòu)在承力時(shí)相鄰格柵層間可以實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0021]1、本實(shí)用新型的多層格柵承力筒將多個(gè)單層格柵筒進(jìn)行嵌套組合，以格柵增強(qiáng)格柵的方式提高大尺寸結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，從而減去了中間框等贅重，提高了承載效率，形成力學(xué)性能更加優(yōu)異、質(zhì)量效率更高、具有更大中空空間的多層結(jié)構(gòu)。不同格柵層相互作用、相互增強(qiáng)、共同承力，使整體結(jié)構(gòu)在軸壓載荷條件下的屈曲穩(wěn)定性大幅度增強(qiáng)。多層格柵結(jié)構(gòu)的采用，既提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，保證了結(jié)構(gòu)的承載性能，同時(shí)減少了材料用量，從而達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的。
[0022]2、本實(shí)用新型的多層格柵承力筒利用格柵增強(qiáng)格柵的理念使其在軸壓下的抗失穩(wěn)能力增強(qiáng)。承力筒在軸壓下的屈曲破壞強(qiáng)度與筒厚度的二次方成正比，采用多層格柵作為筒體結(jié)構(gòu)可在重量一定的前提下大幅度增加筒的有效厚度，從而使筒的抗屈曲失穩(wěn)能力增強(qiáng)，并節(jié)約材料用量，實(shí)現(xiàn)大尺寸結(jié)構(gòu)的輕量化，并可通過(guò)改變不同格柵層的肋條寬度、厚度、長(zhǎng)度、取向角度等參數(shù)來(lái)改變整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，使結(jié)構(gòu)發(fā)揮最大的承載效率。
[0023]3、本實(shí)用新型中相鄰的單層格柵承力筒的單元網(wǎng)格構(gòu)型相同或相似，以保證相鄰格柵層界面的連續(xù)性，增大層與層之間連接界面的面積，使之能夠滿足不同格柵層之間力傳遞的需求。不同格柵層通過(guò)界面連接成為一個(gè)整體，相互增強(qiáng)、共同承力，增大了筒的有效厚度和承載力。在制備筒結(jié)構(gòu)時(shí)，不同格柵層采用相同或相似的網(wǎng)格構(gòu)型可以使金屬澆筑或纖維纏繞的模具得到簡(jiǎn)化，降低了制備工藝的難度。
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