一种高承载能力复合材料镶嵌件

摘要

本发明涉及一种高承载能力复合材料镶嵌件，属于空间天线的埋件/镶嵌件技术领域。该镶嵌件包括钛合金镶嵌件和复合材料边框；钛合金镶嵌件包括底盘和齿条；复合材料边框为壳体结构，包括底座和靠背。本发明中钛合金镶嵌件和复合材料边框通过泡沫胶填充组合而成，质量轻；本发明的齿条增大了镶嵌件与泡沫胶的填充接触面积，提高了镶嵌件整体的承载能力；齿条具有变形能力，可提高整体镶嵌件对结构变形的协调能力；本发明的泡沫胶具有缓冲作用，提高了镶嵌件整体与周围材料的热变形协调能力，可以减小由于温度载荷引起的热应力，避免了单一大尺寸金属镶嵌件可能造成的温度载荷下由于热变形不匹配导致的周围结构破坏问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高承载能力复合材料镶嵌件，属于空间天线的埋件/镶嵌件 技术领域。

背景技术

在卫星发射阶段，星载天线要经受发射过程中的振动和噪声环境的考核， 由于天线安装在卫星上，运载的振动激励通过卫星星体的结构传递进行了响应 放大，这些响应作为天线的振动激励直接作用到天线上，因此星载天线的振动 考核量级一般会比较大。另外由于星载天线结构尺寸也越来越大，重心越来越 高，天线振动时会产生较大的惯性力矩，导致天线根部埋件承受很大的动态载 荷。传统的镶嵌件结构形式，已经无法满足其对承载能力的设计要求，需要重 新设计一种高承载能力的镶嵌件结构。

发明内容

本发明的目的在于克服传统形式镶嵌件承载能力的不足，提供一种高承载 能力复合材料镶嵌件。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种高承载能力复合材料镶嵌件，该镶嵌件包括钛合金镶嵌件和 复合材料边框；钛合金镶嵌件包括底盘和齿条；复合材料边框为壳体结构，包 括底座和靠背；底盘为一个由方形梁(带有减轻孔)围成的直角三角形，直角 三角形两端分别进行导斜角处理；底盘的两个直角边上均匀固定有若干个齿条； 底座为与钛合金镶嵌件底盘形状相匹配，且底部开口的壳；底座两直角边壳壁 斜向上延伸形成的壳体为靠背；钛合金镶嵌件从复合材料边框的底部插入，一 直至齿条被靠背所包围，此时底盘被底座包裹固定在一起；钛合金镶嵌件与复 合材料边框之间的缝隙通过泡沫胶进行填充；

上述的复合材料边框选用碳纤维复合材料。

有益效果

本发明中的高承载能力镶嵌件由钛合金镶嵌件和复合材料边框通过泡沫胶 填充组合而成，比单纯的金属材料制件质量大大减轻；

本发明中钛合金镶嵌件的多齿条设计增大了镶嵌件与泡沫胶的填充接触面 积，有效地提高了镶嵌件整体的承载能力；另外由于齿条具有一定的变形能力， 可以有效提高整体镶嵌件对结构变形的协调能力；

本发明中钛合金镶嵌件外部的复合材料边框，选用与周围结构相同的材料， 加上填充泡沫胶的缓冲作用，提高了镶嵌件整体与周围材料的热变形协调能力， 可以减小由于温度载荷引起的热应力，避免了单一大尺寸金属镶嵌件可能造成 的温度载荷下由于热变形不匹配导致的周围结构破坏问题。

附图说明

图1为本发明的复合材料镶嵌件的结构示意图；

图2A为本发明的钛合金镶嵌件的俯视图；

图2B为本发明的钛合金镶嵌件的仰视图；

图3为本发明的复合材料边框的结构示意图；

图4为钛合金镶嵌件与复合材料边框装配示意图。

其中，1-钛合金镶嵌件，2-复合材料边框，3-底盘，4-齿条，5-底座，6-靠 背。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种高承载能力复合材料镶嵌件，包含钛合金镶嵌件和复合材料边框两部 分，制造方式是将加工好的钛合金镶嵌件装入复合材料边框，并利用泡沫胶将 两者之间的空隙进行填充，使之结合为一个整体。钛合金镶嵌件采用多齿条设 计，以增大钛合金镶嵌件与泡沫胶的填充接触面积，有效增加承受拉伸载荷时 的有效承载面积，极大地提高了镶嵌件整体的承载能力。复合材料边框，采用 中空设计，底部开口，以方便将钛合金镶嵌件从底部装配，复合材料边框选用 与周围结构相同的材料进行加工制造，可以增强与周围材料的热匹配性，减小 由于温度载荷引起的热应力，增加了结构在温度载荷下的承载能力。

实施例

一种高承载能力复合材料镶嵌件，该镶嵌件包括钛合金镶嵌件1和复合材 料边框2，如图1所示；钛合金镶嵌件1包括底盘3和齿条4，如图2和图3 所示；复合材料边框2为壳体结构，包括底座5和靠背6，如图3所示；底盘3 为一个由方形梁(带有减轻孔)围成的直角三角形，直角三角形两端分别进行 导斜角处理；底盘3的直角边长为166mm，导角边长为44mm，方形梁截面高度 为15.5mm、宽度为15mm；底盘3的两个直角边上均匀固定有若干个齿条4， 齿条宽度为13mm，厚度为3mm；底座5为与钛合金镶嵌件底盘3形状相匹配， 且底部开口的壳；底座5两直角边壳壁斜向上延伸形成的壳体为靠背6；底座5 的横截面尺寸高为16.5mm、宽为17mm，底座5与靠背6壳厚度均约为1mm； 钛合金镶嵌件1从复合材料边框2的底部插入，如图4所示，直至齿条4被靠 背6所包围，此时底盘3被底座5包裹固定在一起；钛合金镶嵌件1与复合材 料边框2之间的缝隙通过泡沫胶进行填充；

上述的复合材料边框2选用碳纤维复合材料；

对上述的复合材料镶嵌件的承载能力进行计算：

建立复合材料镶嵌件的有限元模型进行承载力计算，由于钛合金镶嵌件及 复合材料边框的强度远大于填充泡沫胶，且复合材料边框与碳纤维蒙皮胶接强 度(大于20MPa)也大于泡沫胶，因此镶嵌件承载的薄弱点主要在于泡沫胶填 充区域。有限元建模时将钛合金镶嵌件和泡沫胶填充区域均划分为体单元，通 过单元共节点来模拟镶嵌件和泡沫胶的连接，约束边界选取泡沫胶填充区域的 外表面，约束方式为固定约束。当钛合金镶嵌件承受外加载荷时，钛合金件周 围填充的泡沫胶将承受剪切力，在拉伸载荷为1000N时，泡沫胶区域的最大剪 切应力为0.422MPa，由于泡沫胶的许用剪切强度最低为4MPa，据此折算后， 该复合材料镶嵌件所能承受的最大拉伸载荷为9479N。

本发明是一种很实用的高承载能力复合材料镶嵌件，满足接口数目少且承 载能力强的设计要求，可以广泛应用到塔式或船式天线支撑结构设计中。