电能与力学环境管理多功能结构制造技术

本发明专利技术提供一种电能与力学环境管理多功能结构，包括主结构模块、四个可充/放电源模块、减振系统以及传感器模块；主结构模块包括框架、上盖板和下盖板；每个电源模块的四周与用于容纳该电源模块的方格空腔壁之间、每个电源模块的底面与下盖板、以及每个电源模块的顶面与上盖板之间分别设置有弹性垫。优点为：本发明专利技术通过将电源模块以弹性约束的方式嵌入结构内部，使该结构实现了承载、供电、减振等多功能高度融为一体，且结构中采用了碳纤维复合材料等多种轻质材料及空心框架结构，有效减轻了结构重量；同时由于省出了原有电源所占空间，增大了有效载荷可利用空间。因此，本发明专利技术大幅提高了系统平台的载荷/质量比、载荷/体积比及功能/结构比。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料、力学、能源等多学科交叉
，具体涉及一种电能与力学环境管理多功能结构。
技术介绍
对于现代航天器结构，急需发展多功能结构技术，把电、热、推进、减振、防护等独立功能单元与结构平台有机融合在一起，以实现结构、功能、电能、材料等的一体化成型，从而消除传统结构大量冗余的重量和体积，实现结构质量的轻量化以及体积的小型化，提高系统平台的载荷/质量比、功能/结构比等，降低研制成本、延长航天器寿命，并增加航天器能力。然而截止目前，尚未见到相关的文献资料报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种电能与力学环境管理多功能结构，可有效解决上述问题。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种电能与力学环境管理多功能结构，包括一个主结构模块、四个可充/放电源模块、一套减振系统以及一套传感器模块；所述主结构模块包括框架(10)、上盖板(11)和下盖板(12)；其中，所述框架(10)的整体外形呈田字构型，具有四个方格空腔，所述框架(10)具有关于x、y和z三轴的全方位对称性；所述下盖板(12)固定于所述框架(10)的底面；所述上盖板(11)固定于所述框架(10)的顶面；所述框架(10)、所述上盖板(11)和所述下盖板(12)组成主承力结构，具有结构承载的功能；所述电源模块包括4个，分别记为电源模块Ⅰ(20)、电源模块Ⅱ(21)、电源模块Ⅲ(22)和电源模块Ⅳ(23)；每个所述电源模块通过弹性支撑以嵌埋方式设置于框架(10)、上盖板(11)和下盖板(12)所形成的封闭方格空腔内，并且，每个方格空腔内唯一安装1个所述电源模块；其中，弹性支撑包括弹性块(30)和弹性垫(31)；此外，电源模块的正、负极线通过强电电缆引出，连接到设置于所述框架(10)的外侧壁的强电电连接器(24)上形成充放电接口；所述电源模块既具有多次充电与多次放电的功能，又具有充当振子消耗振动能量的功能；另外，每个所述电源模块的四周与用于容纳该电源模块的方格空腔壁之间设置有弹性块(30)；每个所述电源模块的底面与所述下盖板(12)之间设置有弹性垫(31)，每个所述电源模块的顶面与所述上盖板(11)之间也设置有弹性垫(31)；所述电源模块、所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)构成减振系统，相当于“弹簧-振子”模型，其中，所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)相当于具有一定刚度和阻尼的弹性支撑；所述电源模块相当于具有一定质量的振子，该减振系统一方面通过弹性支撑的变形吸振耗能，另一方面由作为振子的电源模块将结构振动能量转化为振子动能的方式来消耗振动能量，二者综合作用的结果降低了振动在多功能结构中的传递，并有效管理电源模块的力学环境；所述传感器模块包括若干个温度传感器和若干个加速度传感器；其中，所述温度传感器设置于所述电源模块的内腔和外侧壁，用于监测所述电源模块的温度；所述加速度传感器设置于所述框架(10)的内壁、所述上盖板(11)的内壁和所述下盖板(12)的内壁，用于测量所述框架(10)、所述上盖板(11)和所述下盖板(12)的振动情况，为多功能结构内部电能与振动管理提供了检测与监控手段。优选的，所述框架(10)采用两类空心方管连接装配而成，分别是位于四周的八根边框(10-1)和处于中心的四根龙骨(10-2)；四根龙骨(10-2)通过十字型接头组成十字结构；八根边框(10-1)分别命名为边框Ⅰ～边框Ⅷ，先将每两根边框通过L型接头组成L型结构，由此得到四个L型结构；将四个L型结构与由四根龙骨构成的十字结构通过T型接头组合形成一个具有对称性的田字型框架。优选的，所述龙骨(10-2)和所述边框(10-1)均采用碳纤维复合材料铺层而成，铺层方式为[±45/0/±45]2S；所述十字型接头、所述L型接头和所述T型接头采用高比强度、低热膨胀系数的钛合金材料制成；其与边框(10-1)、龙骨(10-2)之间采用胶粘剂进行粘接。优选的，在所述框架(10)的各转角处还采用结构胶粘剂粘接有L型的角片(10-3)，角片(10-3)由聚酰亚胺绝缘材料制作而成，用于对框架(10)装配连接处进行加强，同时具有绝缘作用；在所述加速度传感器的安装处粘接有绝缘片(10-4)，该绝缘片也由聚酰亚胺绝缘材料制成，能够使加速度传感器与主结构模块之间绝缘。优选的，所述上盖板(11)和所述下盖板(12)均采用上蒙皮/夹芯格板/下蒙皮构成的夹芯结构形式；所述夹芯结构形式是指：按自上而下顺序，依次包括上蒙皮(11-1)、夹芯格板(11-2)和下蒙皮(11-3)；所述上蒙皮(11-1)和所述夹芯格板(11-2)之间采用胶粘剂进行连接，控制粘接胶层的厚度在0.1mm～0.2mm的范围；所述下蒙皮(11-3)和所述夹芯格板(11-2)之间采用胶粘剂进行连接，控制粘接胶层的厚度在0.1mm～0.2mm的范围；其中，夹芯格板(11-2)为筋条网格形式，所述上蒙皮(11-1)和所述下蒙皮(11-3)均为面板形式，并且，所述上蒙皮(11-1)和所述下蒙皮(11-3)的结构尺寸和材料完全相同；另外，所述上蒙皮(11-1)、所述夹芯格板(11-2)和所述下蒙皮(11-3)均采用碳纤维复合材料制成，所述上蒙皮(11-1)和所述下蒙皮(11-3)铺层方式为[0/±45/90/±45]S；所述夹芯格板(11-2)的铺层方式为[0/±45/90/0]2S。优选的，所述上盖板(11)和所述下盖板(12)设计有多个规则排列的圆形排气孔，用作工艺过程和真空环境下结构内部气体的排出通道；另外，所述下盖板(12)通过胶粘方式固定于所述框架(10)的底面；所述上盖板(11)通过螺钉以螺纹连接方式固定于所述框架(10)的顶面，螺钉安装孔位于所述框架(10)的四个角点、中心位置以及边框和龙骨上；螺钉采用热膨胀系数小的钛合金材料制作，适用于温差大且变化剧烈的工作环境。优选的，所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)所采用的材料为由高分子弹性材料乙烯基封端聚二甲基硅氧烷制成的材料，该材料的化学分子结构式为：所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)既具有结构支撑电源模块的功能，还可通过自身弹性变形达到耗散一部分振动能量的作用，具有保护电源模块的功能，同时还具有使电源模块与主结构模块绝缘及为电源模块散热的功能。优选的，所述弹性块(30)和弹性垫(31)以预压方式进行安装，通过预压缩产生弹性力来实现对电源模块的弹性约束支撑；所述弹性块(30)呈长方体形状，其两端分别与框架(10)的内侧面和电源模块的外侧面以面接触方式相接，不存在固接关系；所述弹性垫(31)呈井字构型，一面通过胶粘剂与上盖板(11)的下表面和下盖板(12)的上表面粘接在一起，而另一面仅以面接触方式与电源模块的表面相接，也不存在固接关系；安装好后的弹性块(30)和弹性垫(31)均处于预压紧状态，具有结构支撑作用，可使得静止状态下的电源模块在框架(10)内部保持位置确定。优选的，在框架(10)的内侧，在每个弹性块(30)两侧根部界限处的位置，均采用结构胶粘剂粘接有限位块(32)，用于对弹性块(30)进行限位，使其不发生移动和错位。优选的，所述电源模块可采用锂电池；和/或在所述电源模块的内部还引出若干电压检测线，并焊接到安装于框架(10)外侧壁的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，包括一个主结构模块、四个可充/放电源模块、一套减振系统以及一套传感器模块；所述主结构模块包括框架(10)、上盖板(11)和下盖板(12)；其中，所述框架(10)的整体外形呈田字构型，具有四个方格空腔，所述框架(10)具有关于x、y和z三轴的全方位对称性；所述下盖板(12)固定于所述框架(10)的底面；所述上盖板(11)固定于所述框架(10)的顶面；所述框架(10)、所述上盖板(11)和所述下盖板(12)组成主承力结构，具有结构承载的功能；所述电源模块包括4个，分别记为电源模块Ⅰ(20)、电源模块Ⅱ(21)、电源模块Ⅲ(22)和电源模块Ⅳ(23)；每个所述电源模块通过弹性支撑以嵌埋方式设置于框架(10)、上盖板(11)和下盖板(12)所形成的封闭方格空腔内，并且，每个方格空腔内唯一安装1个所述电源模块；其中，弹性支撑包括弹性块(30)和弹性垫(31)；此外，电源模块的正、负极线通过强电电缆引出，连接到设置于所述框架(10)的外侧壁的强电电连接器(24)上形成充放电接口；所述电源模块既具有多次充电与多次放电的功能，又具有充当振子消耗振动能量的功能；另外，每个所述电源模块的四周与用于容纳该电源模块的方格空腔壁之间设置有弹性块(30)；每个所述电源模块的底面与所述下盖板(12)之间设置有弹性垫(31)，每个所述电源模块的顶面与所述上盖板(11)之间也设置有弹性垫(31)；所述电源模块、所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)构成减振系统，相当于“弹簧‑振子”模型，其中，所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)相当于具有一定刚度和阻尼的弹性支撑；所述电源模块相当于具有一定质量的振子，该减振系统一方面通过弹性支撑的变形吸振耗能，另一方面由作为振子的电源模块将结构振动能量转化为振子动能的方式来消耗振动能量，二者综合作用的结果降低了振动在多功能结构中的传递，并有效管理电源模块的力学环境；所述传感器模块包括若干个温度传感器和若干个加速度传感器；其中，所述温度传感器设置于所述电源模块的内腔和外侧壁，用于监测所述电源模块的温度；所述加速度传感器设置于所述框架(10)的内壁、所述上盖板(11)的内壁和所述下盖板(12)的内壁，用于测量所述框架(10)、所述上盖板(11)和所述下盖板(12)的振动情况，为多功能结构内部电能与振动管理提供了检测与监控手段。...

【技术特征摘要】
1.一种电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，包括一个主结构模块、四个可充/放电源模块、一套减振系统以及一套传感器模块；所述主结构模块包括框架(10)、上盖板(11)和下盖板(12)；其中，所述框架(10)的整体外形呈田字构型，具有四个方格空腔，所述框架(10)具有关于x、y和z三轴的全方位对称性；所述下盖板(12)固定于所述框架(10)的底面；所述上盖板(11)固定于所述框架(10)的顶面；所述框架(10)、所述上盖板(11)和所述下盖板(12)组成主承力结构，具有结构承载的功能；所述电源模块包括4个，分别记为电源模块Ⅰ(20)、电源模块Ⅱ(21)、电源模块Ⅲ(22)和电源模块Ⅳ(23)；每个所述电源模块通过弹性支撑以嵌埋方式设置于框架(10)、上盖板(11)和下盖板(12)所形成的封闭方格空腔内，并且，每个方格空腔内唯一安装1个所述电源模块；其中，弹性支撑包括弹性块(30)和弹性垫(31)；此外，电源模块的正、负极线通过强电电缆引出，连接到设置于所述框架(10)的外侧壁的强电电连接器(24)上形成充放电接口；所述电源模块既具有多次充电与多次放电的功能，又具有充当振子消耗振动能量的功能；另外，每个所述电源模块的四周与用于容纳该电源模块的方格空腔壁之间设置有弹性块(30)；每个所述电源模块的底面与所述下盖板(12)之间设置有弹性垫(31)，每个所述电源模块的顶面与所述上盖板(11)之间也设置有弹性垫(31)；所述电源模块、所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)构成减振系统，相当于“弹簧-振子”模型，其中，所述弹性块(30)和所述弹性垫(31)相当于具有一定刚度和阻尼的弹性支撑；所述电源模块相当于具有一定质量的振子，该减振系统一方面通过弹性支撑的变形吸振耗能，另一方面由作为振子的电源模块将结构振动能量转化为振子动能的方式来消耗振动能量，二者综合作用的结果降低了振动在多功能结构中的传递，并有效管理电源模块的力学环境；所述传感器模块包括若干个温度传感器和若干个加速度传感器；其中，所述温度传感器设置于所述电源模块的内腔和外侧壁，用于监测所述电源模块的温度；所述加速度传感器设置于所述框架(10)的内壁、所述上盖板(11)的内壁和所述下盖板(12)的内壁，用于测量所述框架(10)、所述上盖板(11)和所述下盖板(12)的振动情况，为多功能结构内部电能与振动管理提供了检测与监控手段。2.根据权利要求1所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，所述框架(10)采用两类空心方管连接装配而成，分别是位于四周的八根边框(10-1)和处于中心的四根龙骨(10-2)；四根龙骨(10-2)通过十字型接头组成十字结构；八根边框(10-1)分别命名为边框Ⅰ～边框Ⅷ，先将每两根边框通过L型接头组成L型结构，由此得到四个L型结构；将四个L型结构与由四根龙骨构成的十字结构通过T型接头组合形成一个具有对称性的田字型框架。3.根据权利要求2所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，所述龙骨(10-2)和所述边框(10-1)均采用碳纤维复合材料铺层而成，铺层方式为[±45/0/±45]2S；所述十字型接头、所述L型接头和所述T型接头采用高比强度、低热膨胀系数的钛合金材料制成；其与边框(10-1)、龙骨(10-2)之间采用胶粘剂进行粘接。4.根据权利要求2所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，在所述框架(10)的各转角处还采用结构胶粘剂粘接有L型的角片(10-3)，角片(10-3)由聚酰亚胺绝缘材料制作而成，用于对框架(10)装配连接处进行加强，同时具有绝缘作用；在所述加速度传感器的安装处粘接有绝缘片(10-4)，该绝缘片也由聚酰亚胺绝缘材料制成，能够使加速度传感器与主结构模块之间绝缘。5.根据权利要求1所述的电能与力学环境管理多功能结构，其特征在于，所述上盖板(11)和所述下盖板(12)均采用上蒙皮/夹芯格板/下蒙皮构成的夹芯结构形式；所述夹芯结构形式是指：按自上而下顺序，依次包括上蒙皮(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东旭，尹昌平，廖一寰，刘望，蒋建平，郝东，彭超义，吴军，李德湛，范才智，
申请(专利权)人：国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43