适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，包括上端框、下端框和双向螺旋筋；上端框、下端框和双向螺旋筋为一体成型结构，上端框、下端框和双向螺旋筋所用结构材料为复合材料；双向螺旋筋包括两根相互对称的筋条，每根筋条的外轮廓面的中心线为等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线或短程线。本发明专利技术进一步公开了多种航天工程中应用的典型对称非回转结构所用筋条中心线的确定方法。本发明专利技术斜置网格结构设计合理、轻质化、适合于自动化批量生产。自动化批量生产。自动化批量生产。

【技术实现步骤摘要】
适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构


[0001]本专利技术涉及一种适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，属于复合材料


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。而对称非回转复合材料斜置网格结构尚未在火箭结构中得到应用。随着航天技术的发展，结构部段已不仅只是回转体结构，对称非回转型结构已在航天工程中得到应用。典型的对称非回转型结构有椭圆过渡到圆对称非回转结构、非回转椭球结构、椭圆横截面冯.卡门曲母线对称非回转结构、非回转单叶双曲面结构。为减轻结构重量，应将此类非回转型结构设计为复合材料结构。为提高结构的生产质量和质量一致性，应使此类结构与自动化成型相结合。为了进一步减轻结构重量使结构可以设计为无蒙皮网格结构，应将网格筋条设计为斜置网格形式，但现有斜置网格形式无法适应自动成型工艺。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，解决了现有斜置网格形式无法适应自动成型工艺的技术问题，本专利技术设计合理、轻质化、适合于自动化批量生产。
[0004]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]本专利技术涉及适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，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；上下端框、双向螺旋筋为一体成型结构；双向螺旋筋相互对称，其外轮廓面中心线为对称非回转型面等螺距螺旋线、或等螺旋角螺旋线，或短程线，通过纤维丝束沿上述螺旋线自动铺放成型。对称非回转复合材料斜置网格结构可设计为有蒙皮结构和无蒙皮结构。蒙皮通过纤维丝束沿对称非回转型面等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线、短程线这三种螺旋线按一定比例自动铺放成型，以取得蒙皮基本等厚的效果。航天工程中应用的典型对称非回转结构有椭圆过渡到圆对称非回转结构、非回转椭球结构、椭圆横截面冯.卡门曲母线对称非回转结构、非回转单叶双曲面结构。
[0006]一种适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，包括上端框、下端框和双向螺旋筋；
[0007]上端框、下端框和双向螺旋筋为一体成型结构，上端框、下端框和双向螺旋筋所用结构材料为复合材料；双向螺旋筋包括两根相互对称的筋条，每根筋条的外轮廓面的中心线为等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线或短程线。
[0008]进一步的，对称非回转复合材料斜置网格结构的型面为对称非回转型面；
[0009]每根筋条的截面为梯形截面，同一根筋条的梯形截面相等，梯形截面的上底和下底分别位于对称非回转复合材料斜置网格结构的内型面和外型面，梯形截面的中心线指向
对称非回转型面的中心；
[0010]复合材料为碳纤维/环氧树脂复合材料。
[0011]进一步的，利用纤维丝束，通过自动铺放的方式自动成型双向螺旋筋；
[0012]对称非回转复合材料斜置网格结构为有蒙皮结构或无蒙皮结构；利用纤维丝束，通过自动铺放的方式自动成型蒙皮。
[0013]进一步的，筋条外轮廓面的中心线为等螺旋角螺旋线时，等螺旋角螺旋线的确定方法为：
[0014]建立公式一：
[0015][0016]其中α为螺旋角；
[0017]E、F、G为第一基本量，
[0018][0019][0020][0021]其中矢径r＝|x,y,z|＝xi+yj+zk；
[0022](x,y,z)为右手坐标系oxyz中任意一点的坐标，用参数u和v表达为x＝x(u,v)，y＝y(u,v)，z＝z(u,v)；
[0023]对于特定的对称非回转复合材料斜置网格结构给定初值条件，先求得矢径关于u，v的参数表达式r＝|x(u,v),y(u,v),z(u,v)|，由矢径关于u，v的参数表达式求得E、F和G，再将E、F、G代入公式一并结合给定初值条件求解公式一，得到等螺旋角螺旋线的数值解，即一组特定的对称非回转复合材料斜置网格结构外轮廓面等螺旋角螺旋线上点的坐标值，将这组坐标用三次样条曲线光滑连接，得到等螺旋角螺旋线；
[0024]筋条外轮廓面的中心线为短程线时，短程线的确定方法为：
[0025]建立公式二：
[0026]对于特定的对称非回转复合材料斜置网格结构给定初值条件，先求得矢径关于u，v的参数表达式r＝|x(u,v),y(u,v),z(u,v)|，由矢径关于u，v的参数表达式求得E、F、G、将E、F、G、E
u
、E
v
、F
u
、F
v
、G
u
、G
v
代入公式二并结合给定的初值条件求解公式二，得到短程线；
[0027]筋条外轮廓面的中心线为等螺距螺旋线时，等螺距螺旋线的确定方法为：
[0028]对于特定的对称非回转复合材料斜置网格结构给定初值条件，先求得矢径关于u，
v的参数表达式r＝|x(u,v),y(u,v),z(u,v)|，令z(u,v)＝kv并结合给定初值条件得到等螺距螺旋线，其中，k为比例系数。
[0029]进一步的，对称非回转复合材料斜置网格结构为椭圆过渡到圆对称非回转结构；
[0030]筋条外轮廓面的中心线为等螺旋角螺旋线时，等螺旋角螺旋线的确定方法为：
[0031]设下端圆半径为R，上端椭圆长半轴长为a1，短半轴长为b1，结构高为h，，坐标系o1x1y1z1以下端圆所在平面为x1o1y1面，z1轴与x1o1y1面垂直且通过下端面圆心和上端面椭圆圆心，以z1轴与下端面圆心的交点为原点o1，上端椭圆长半轴与x1轴平行，短半轴与y1轴平行；(x1,y1,z1)为右手坐标系o1x1y1z1中任意一点的坐标，θ1为点(0,0,z1)指向点(x1,y1,z1)的向量在x1o1y1面上的投影与x1轴的夹角，即经度，h1为与z1垂直的截面到下端面的距离，令参数u＝h1，v＝θ1，则矢径r1关于h1，θ1的参数表达式为：
[0032]r1＝|x1,y1,z1|＝x1i+y1j+z1k
[0033][0034][0035]z1(h1,θ1)＝h1[0036]α1为螺旋角，
[0037]E1、F1、G1为第一基本量，
[0038][0039][0040][0041]将α1、E1、F1、G1代入公式一，代替对应的α、E、F、G得到公式三：
[0042][0043]通过n个节点将下端圆周均分为n份，n＞1，令节点处z1＝0做为初值条件，即n个初值条件分别为：
[0044]z
1,1
(0,0)＝0，
[0045]结合所述初值条件求解公式三，得到n条等螺旋角螺旋筋中心线，利用对称关系，得到所需要的圆过渡到椭圆等螺旋角螺旋筋复合材料斜置网格结构；
[0046]筋条外轮廓面的中心线为短程线时，短程线的确定方法为：
[0047][0048]将E1、F1、G1、代本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，其特征在于，包括上端框、下端框和双向螺旋筋；上端框、下端框和双向螺旋筋为一体成型结构，上端框、下端框和双向螺旋筋所用结构材料为复合材料；双向螺旋筋包括两根相互对称的筋条，每根筋条的外轮廓面的中心线为等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线或短程线。2.根据权利要求1所述的一种适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，其特征在于，对称非回转复合材料斜置网格结构的型面为对称非回转型面；每根筋条的截面为梯形截面，同一根筋条的梯形截面相等，梯形截面的上底和下底分别位于对称非回转复合材料斜置网格结构的内型面和外型面，梯形截面的中心线指向对称非回转型面的中心；复合材料为碳纤维/环氧树脂复合材料。3.根据权利要求2所述的一种适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，其特征在于，利用纤维丝束，通过自动铺放的方式自动成型双向螺旋筋；对称非回转复合材料斜置网格结构为有蒙皮结构或无蒙皮结构；利用纤维丝束，通过自动铺放的方式自动成型蒙皮。4.根据权利要求3所述的一种适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，其特征在于，筋条外轮廓面的中心线为等螺旋角螺旋线时，等螺旋角螺旋线的确定方法为：建立公式一：其中α为螺旋角；E、F、G为第一基本量，E、F、G为第一基本量，E、F、G为第一基本量，其中矢径r＝|x,y,z|＝xi+yj+zk；(x,y,z)为右手坐标系oxyz中任意一点的坐标，用参数u和v表达为x＝x(u,v)，y＝y(u,v)，z＝z(u,v)；对于特定的对称非回转复合材料斜置网格结构给定初值条件，先求得矢径关于u，v的参数表达式r＝|x(u,v),y(u,v),z(u,v)|，由矢径关于u，v的参数表达式求得E、F和G，再将E、F、G代入公式一并结合给定初值条件求解公式一，得到等螺旋角螺旋线的数值解，即一组特定的对称非回转复合材料斜置网格结构外轮廓面等螺旋角螺旋线上点的坐标值，将这组坐标用三次样条曲线光滑连接，得到等螺旋角螺旋线；筋条外轮廓面的中心线为短程线时，短程线的确定方法为：
建立公式二：对于特定的对称非回转复合材料斜置网格结构给定初值条件，先求得矢径关于u，v的参数表达式r＝|x(u,v),y(u,v),z(u,v)|，由矢径关于u，v的参数表达式求得E、F、G、将E、F、G、E
u
、E
v
、F
u
、F
v
、G
u
、G
v
代入公式二并结合给定的初值条件求解公式二，得到短程线；筋条外轮廓面的中心线为等螺距螺旋线时，等螺距螺旋线的确定方法为：对于特定的对称非回转复合材料斜置网格结构给定初值条件，先求得矢径关于u，v的参数表达式r＝|x(u,v),y(u,v),z(u,v)|，令z(u,v)＝kv并结合给定初值条件得到等螺距螺旋线，其中，k为比例系数。5.根据权利要求4所述的一种适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，其特征在于，对称非回转复合材料斜置网格结构为椭圆过渡到圆对称非回转结构；筋条外轮廓面的中心线为等螺旋角螺旋线时，等螺旋角螺旋线的确定方法为：设下端圆半径为R，上端椭圆长半轴长为a1，短半轴长为b1，结构高为h，，坐标系o1x1y1z1以下端圆所在平面为x1o1y1面，z1轴与x1o1y1面垂直且通过下端面圆心和上端面椭圆圆心，以z1轴与下端面圆心的交点为原点o1，上端椭圆长半轴与x1轴平行，短半轴与y1轴平行；(x1,y1,z1)为右手坐标系o1x1y1z1中任意一点的坐标，θ1为点(0,0,z1)指向点(x1,y1,z1)的向量在x1o1y1面上的投影与x1轴的夹角，即经度，h1为与z1垂直的截面到下端面的距离，令参数u＝h1，v＝θ1，则矢径r1关于h1，θ1的参数表达式为：r1＝|x1,y1,z1|＝x1i+y1j+z1kkz1(h1,θ1)＝h1α1为螺旋角，E1、F1、G1为第一基本量，为第一基本量，为第一基本量，将α1、E1、F1、G1代入公式一，代替对应的α、E、F、G得到公式三：
通过n个节点将下端圆周均分为n份，n＞1，令节点处z1＝0做为初值条件，即n个初值条件分别为：z
1,1
(0,0)＝0，结合所述初值条件求解公式三，得到n条等螺旋角螺旋筋中心线，利用对称关系，得到所需要的圆过渡到椭圆等螺旋角螺旋筋复合材料斜置网格结构；筋条外轮廓面的中心线为短程线时，短程线的确定方法为：将E1、F1、G1、代入公式二，代替对应的E、F、G、E
u
、E
v
、F
u
、F
v
、G
u
、G
v
得到公式四：通过n个节点将下端圆周均分为n份，n＞1，n个初值条件分别为：z
1,1
(0,0)＝0，同时确定各节点处起始方向Dh
10
和Dθ
10
，做为初值条件；结合初值条件求解公式四，得到n条短程线的中心线，利用对称关系，得到所需要的圆过渡到椭圆短程线复合材料斜置网格结构；筋条外轮廓面的中心线为等螺距螺旋线时，等螺距螺旋线的确定方法为：通过n个节点将下端圆周均分为n份，n＞1，令节点处z1＝0做为初值条件，即n个初值条件分别为：z
1,1
(0,0)＝0，将矢径关于h1，θ1的参数表达式与z1(h1,θ1)＝k1θ1联立，得到n条等螺距螺旋线的中心线，下端通过节点z
1,1
(0,0)＝0的圆过渡到椭圆等螺距螺旋筋中心线为：
其中ε1为参数，其取值范围为角度为弧度制；下端通过节点的圆过渡到椭圆等螺距螺旋筋中心线为：其余n
‑
2条圆过渡到椭圆等螺距螺旋筋中心线以此类推，即：下端通过节点的圆过渡到椭圆等螺距螺旋筋中心线为：...其下端通过节点的圆过渡到椭圆等螺距螺旋筋中心线为：得到n条等螺距螺旋线的中心线；利用对称关系，得到所需要的圆过渡到椭圆等螺距螺旋线复合材料斜置网格结构。6.根据权利要求4所述的一种适用于自动成型的对称非回转复合材料斜置网格结构，其特征在于，对称非回转复合材料斜置网格结构为椭圆横截面冯.卡门曲母线对称非回转
结构；筋条外轮廓面的中心线为等螺旋角螺旋线时，等螺旋角螺旋线的确定方法为：设下端椭圆长半轴长为a2，短半轴长为b2，结构高为H，坐标系o2x2y2z2的x2o2y2面与椭圆下端面距离为H，z2轴与x2o2y2面垂直且通过下端面椭圆圆心和结构顶点，以顶点为原点o2，下端面椭圆长半轴与x2轴平行，短半轴与y2轴平行；(x2,y2,z2)为右手坐标系o2x2y2z2中任意一点的坐标，θ2为点(0,0,z2)指向点(x2,y2,z2)的向量在x2o2y2面上的投影与x2轴的夹角，即经度，φ2为y2o2z2平面上从坐标原点o2出发的向量与y2轴的夹角，此夹角满足冯卡门母线参数方程；令u＝φ2，v＝θ2，则矢径r2关于φ2，θ2的参数表达式为：r2＝|x2,y2,z2|＝x2i+y2j+z2k各分量关于φ2，θ2的参数表达式为：的参数表达式为：的参数表达式为：α2为螺旋角，E2、F2、G2为第一基本量，为第一基本量，为第一基本量，将α2、E2、F2、G2代入公式一，代替对应的α、E、F、G得到公式五：通过n个节点将下端圆周均分为n份，n＞1，令节点处z2＝H做为初值条件，即n个初值条件分别为：z
2,1
(π,0)＝H，结合所述初值条件求解公式五，得到n条等螺旋角螺旋筋中心线，利用对称关系，得到所需要的椭圆横截面冯.卡门曲母线等螺旋角螺旋筋复合材料斜置网格结构；筋条外轮廓面的中心线为短程线时，短程线的确定方法为：
将E2、F2、G2、代入公式二，代替对应的E、F、G、E
u
、E
v
、F
u
、F
v
、G
u
、G
v
得到公式六：通过n个节点将下端圆周均分为n份，n＞1，n个初值条件分别为：z
2,1
(π,0)＝H，同时确定各节点处起始方向Dφ
20
和Dθ
20
，做为初值条件；结合初值条件求解公式六，得到n条短程线的中心线，利用对称关系，得到所需要的椭圆横截面冯.卡门曲母线短程线复合材料斜置网格结构；筋条外轮廓面的中心线为等螺距螺旋线时，等螺距螺旋线的确定方法为：通过n个节点将下端圆周均分为n份，n＞1，令节点处z2＝H做为初值条件，即n个初值条件分别为：z
2,1
(π,0)＝H，将矢径关于φ2，θ2的参数表达式与...

【专利技术属性】
技术研发人员：提亚峰，王易南，王国辉，吴会强，张志峰，鄢东洋，王会平，闫冰，杨帆，王世勋，王群，吕静，胡苏珍，王筱宇，匡格平，张雪峰，谢金鑫，徐林栋，
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：