自动成型冯.卡门型复合材料斜置网格结构及其成型工装制造技术

本发明专利技术涉及一种自动成型冯.卡门型复合材料斜置网格结构及其成型工装，所述斜置网格结构包括结构材料为复合材料的上下端框以及双向螺旋筋；所述上下端框、双向螺旋筋为一体成型结构；上下端框均为向内翻边结构；上下端框的结构外轮廓面为冯.卡门型面；内轮廓成型双向螺旋筋，所述双向螺旋筋相互对称，其外轮廓面中心线为冯.卡门型面等螺距螺旋线、或等螺旋角螺旋线，或短程线。蒙皮等厚自动铺放沿冯.卡门型面密排螺旋线，蒙皮内外两层沿冯.卡门型面短程线自动缠绕。冯卡门型曲母线复合材料斜置网格结构可用于取代锥形结构、双锥形结构、双锥形头罩。自动成型冯.卡门型复合材料斜置网格结构通过专用的成型工装自动化、精确、共固化、一体成型。一体成型。一体成型。

【技术实现步骤摘要】
自动成型冯.卡门型复合材料斜置网格结构及其成型工装


[0001]本专利技术属于自动成型冯卡门型复合材料斜置网格结构及其成型工装。

技术介绍

[0002]在火箭结构中，仪器舱、末修舱、卫星支架、级间段、头罩等直母线结构均大量采用复 合材料结构，取得了大幅度减重的良好效果。而冯卡门型曲母线复合材料斜置网格结构尚未 在火箭结构中得到应用。冯卡门型曲母线复合材料斜置网格结构具有内包络大且下端母线切 线与回转轴平行的特点，可用于取代不能满足内包络要求且与柱段对接的锥形直母线复合材 料斜置网格结构。冯卡门型曲母线的曲率特点优于圆及椭圆等曲母线，无蒙皮冯.卡门型复合 材料网格结构还可用于取代有内包络要求且与柱段对接的双锥结构。冯.卡门型曲母线结构气 动外形好，可显著减小气动阻力及火箭所承受的载荷。半罩分离的冯.卡门型蜂窝结构头罩已 在我国航天领域得到应用。整罩抛离的冯.卡门型复合材料网格结构还没有设计应用。冯.卡 门型复合材料网格结构较之冯.卡门型蜂窝结构，其蒙皮筋条高度低，内部占用空间少，可用 于小直径运载火箭；在其蒙皮上安装仪器也比蜂窝结构方便可靠。运载火箭头罩主要承受外 压作用，冯.卡门型复合材料斜置网格结构可充分利用复合材料网格结构各向异性的特点，并 利用冯.卡门头罩曲率变化特点，将网格布置在承力方向，提高外压承载效率。冯.卡门型复 合材料斜置网格结构将最优气动外形与高强度轻质化结构相结合，具有良好的工程应用价 值。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的技术问题是：提供自动成型冯卡门型复合材料斜置网格结构及其成型工 装。此自动成型冯卡门型复合材料斜置网格结构及其成型工装设计合理、实现结构轻质化。 自动成型冯卡门型复合材料斜置网格结构及其成型工装制作成本低、适合用于复合材料网格 贮箱自动化批量生产。
[0004]本专利技术解决技术的方案是：自动成型冯.卡门型复合材料斜置网格结构，其特征在于：包 括结构材料为复合材料的上下端框以及双向螺旋筋；所述上下端框、双向螺旋筋为一体成型 结构；上下端框均为向内翻遍结构；上下端框的结构外轮廓面为冯.卡门型面；内轮廓安装双 向螺旋筋，所述双向螺旋筋相互对称，其外轮廓面中心线为冯.卡门型面等螺距螺旋线、或等 螺旋角螺旋线，或短程线。
[0005]优选的，双向螺旋筋截面均为相互全等的梯形，所述梯形截面垂直于双向螺旋筋的外 轮廓面中心线、梯形截面中心线指向冯卡.门型面旋转轴方向、梯形截面下底中点沿双向螺旋 筋的外轮廓面中心线扫略形成双向螺旋筋。
[0006]优选的，所述的复合材料为碳纤维/环氧树脂复合材料。
[0007]优选的，用于取代火箭结构中的锥形结构、双锥形结构、或双锥形头罩。
[0008]优选的，对于取代锥形结构的斜置网格结构，所述结构外轮廓面的母线方程通过下述方 式确定：
[0009]S1、将待成型斜置网格结构上端框的外半径R1、下端框的外半径R2代入冯.卡门型面的 母线方程，确定冯.卡门型面的母线方程中的参数φ，求解结果记为φ
上
；
[0010]S2、将求解的φ
上
结合将待成型斜置网格结构上下端框之间的距离h，代入 得到上端框距冯.卡门型面顶点的距离x
上
；
[0011]S3、将上述x
上
与h之和为冯.卡门型面的母线方程中的高H，即得到待成型斜置网格结 构的冯.卡门型面的母线方程。
[0012]等螺距螺旋线轨迹方程为：
[0013][0014]k为一常数，确定k值则等螺距螺旋线轨迹方程随之确定，其值由下式确定：
[0015][0016]式中螺旋线的螺旋角α为冯.卡门型面母线切线与螺旋线切线的夹角；
[0017]右手坐标系螺旋线螺旋角α的取值范围为(0
°
,90
°
)，x取值范围为[x
上
,x
上
+h]， 可根据结构的具体承载情况选取优化值。左手坐标系螺旋线与右手坐标系螺旋线对称，共同 构成双向螺旋筋的外轮廓面中心线。
[0018]优选的，为使双向螺旋筋在结构中部正交得到外压承载能力高的结构，由式 计算出φ记为φ
中
，并取α＝45
°
代入k值计算式并圆整即得 到k值，从而得到所需的等螺距螺旋线。
[0019]在k值确定后，由公式：
[0020]结合在[x
上
,x
上
+h]中取x值计算出相应的φ值，从而计算出冯卡门型复合材料斜置网格结构 上、下端面间等螺距螺旋线任意位置的螺旋角。
[0021]等螺旋角螺旋线轨迹方程为：
[0022][0023]确定tanα
等
的值，则等螺旋角螺旋线轨迹方程随之唯一确定；α
等
的取值范围为 (0
°
,90
°
)。
[0024]优选的，为使等螺旋角螺旋线的起点终点与等螺距螺旋线的起点终点相同，令
[0025][0026]取代锥形结构且与圆柱部段对接的冯卡门型复合材料斜置网格结构上端面φ
上
，下端面 φ
下
＝π。由等螺距螺旋线轨迹方程第四式可计算出冯卡门型面上的等螺距螺旋线上下端点 间的角度差：
[0027]根据Δθ＝k(1
‑
cosφ
下
)
‑
k(1
‑
cosφ
上
)＝k+kcosφ
上
；
[0028]解得tanα
等
，此等螺旋角螺旋线各处的螺旋角均为α
等
。
[0029]短程线轨迹方程为：
[0030][0031]确定sinα2的值，则短程线轨迹方程随之唯一确定；α2的取值范围为可根据结构的具体承载情况选取优化值。
[0032]优选的，为使短程线的起点终点与所述等螺距螺旋线起点终点相同，令
[0033][0034]根据Δθ＝k(1
‑
cosφ
下
)
‑
k(1
‑
cosφ
上
)＝k+kcosφ
上
；φ
下
＝π；
[0035]解得sinα2，α2是短程线在结构下端的螺旋角；
[0036]在α2确定后，由克莱罗关系式R1sinα1＝R2sinα2＝Rsin90
°
＝const，能够计算出 冯卡门型复合材料斜置网格结构上、下端面间短程线任意位置的螺旋角。
[0037]优选的，对于取代双锥的自动成型冯.卡门型复合材料斜置网格结构，其母线方程通过解 下列三个方程组成的方程组求得：
[0038][0039]其中：
[0040][0041]其中：
[0042][0043]其中：
[0044]h1、h2分别为双锥中的上锥和下锥高度，R
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.自动成型冯.卡门型复合材料斜置网格结构，其特征在于：包括结构材料为复合材料的上下端框以及双向螺旋筋；所述上下端框、双向螺旋筋为一体成型结构；上下端框均为向内翻遍结构；上下端框的结构外轮廓面为冯.卡门型面；内轮廓成型双向螺旋筋，所述双向螺旋筋相互对称，其外轮廓面中心线为冯.卡门型面等螺距螺旋线、或等螺旋角螺旋线，或短程线。2.根据权利要求1所述的斜置网格结构，其特征在于：双向螺旋筋截面均为相互全等的梯形，所述梯形截面垂直于双向螺旋筋的外轮廓面中心线、梯形截面中心线指向冯卡.门型面旋转轴方向、梯形截面下底中点沿双向螺旋筋的外轮廓面中心线扫略形成双向螺旋筋。3.根据权利要求1所述的斜置网格结构，其特征在于：所述的复合材料为碳纤维/环氧树脂复合材料。4.根据权利要求1所述的斜置网格结构，其特征在于：用于取代火箭结构中的锥形结构、双锥形结构、或双锥形头罩。5.根据权利要求4所述的斜置网格结构，其特征在于：对于取代锥形结构的斜置网格结构，所述结构外轮廓面的母线方程通过下述方式确定：S1、将待成型斜置网格结构上端框的外半径R1、下端框的外半径R2代入冯.卡门型面的母线方程，确定冯.卡门型面的母线方程中的参数φ，求解结果记为φ
上
；S2、将求解的φ
上
结合将待成型斜置网格结构上下端框之间的距离h，代入得到上端框距冯.卡门型面顶点的距离x
上
；S3、将上述x
上
与h之和为冯.卡门型面的母线方程中的高H，即得到待成型斜置网格结构的冯.卡门型面的母线方程。6.根据权利要求5所述的斜置网格结构，其特征在于：等螺距螺旋线轨迹方程为：k为一常数，确定k值则等螺距螺旋线轨迹方程随之确定，其值由下式确定：式中螺旋线的螺旋角α为冯.卡门型面母线切线与螺旋线切线的夹角；右手坐标系螺旋线螺旋角α的取值范围为(0
°
,90
°
)，x取值范围为[x
上
,x
上
+h]，左手坐标系螺旋线与右手坐标系螺旋线对称，共同构成双向螺旋筋的外轮廓面中心线。7.根据权利要求6所述的斜置网格结构，其特征在于：为使双向螺旋筋在结构中部正交得到外压承载能力高的结构，由式计算出φ记为φ
中
，并取α＝45
°
代入k
值计算式并圆整即得到k值，从而得到所需的等螺距螺旋线。8.根据权利要求6或7所述的斜置网格结构，其特征在于：在k值确定后，由公式：结合在[x
上
,x
上
+h]中取x值计算出相应的φ值，从而计算出冯卡门型复合材料斜置网格结构上、下端面间等螺距螺旋线任意位置的螺旋角。9.根据权利要求5所述的斜置网格结构，其特征在于：等螺旋角螺旋线轨迹方程为：确定tanα
等
的值，则等螺旋角螺旋线轨迹方程随之唯一确定；α
等
的取值范围为(0
°
,90
°
)。10.根据权利要求9所述的斜置网格结构，其特征在于：为使等螺旋角螺旋线的起点终点与等螺距螺旋线的起点终点相同，令根据Δθ＝k(1
‑
cosφ
下
)
‑
k(1
‑
cosφ
上
)＝k+kcosφ
上
；φ
下
＝π；解得tanα
等
，此等螺旋角螺旋线各处的螺旋角均为α
等
。11.根据权利要求5所述的斜置网格结构，其特征在于：短程线轨迹方程为：确定sinα2的值，则短程线轨迹方程随之唯一确定；α2的取值范围为12.根据权利要求11所述的斜置网格结构，其特征在于：为使短程线的起点终点与所述等螺距螺旋线起点终点相同，令
根据Δθ＝k(1
‑
cosφ
下
)
‑
k(1
‑
cosφ
上
)＝k+kcosφ
上
；φ
下
＝π；解得sinα2，α2是短程线在结构下端的螺旋角；在α2确定后，由克莱罗关系式能够计算出冯卡门型复合材料斜置...

【专利技术属性】
技术研发人员：提亚峰，吴会强，张志峰，鄢东洋，王会平，闫冰，王世勋，王群，王易南，曹昱，高艺航，匡格平，林梦一，张雪峰，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：