一种上下分体式的拱形高低温连接结构的制作方法

1.本实用新型属于一种用于高速飞行器雷达罩与箭体金属结构的上下分体式的拱形高低温连接结构，在减轻结构重量的情况下，可有效降低金属与陶瓷罩热膨胀系数不匹配而产生的过高热应力，同时满足飞行器陶瓷罩在气动载荷作用下的承载需求。


背景技术：

2.高速飞行器飞行过程中，面临极端气动热环境，飞行器各部件之间的温度梯度大。因此，常需要将高温端与低温端相连接，如雷达罩和机体之间的连接。同时，由于连接件结构需满足高温环境下的结构承载需求，其与高温端被连接结构的热膨胀系数常有不同，且由于存在较大的温度梯度，高低温结构之间容易发生热失配现象，使得两者之间产生过高的热应力，进而导致飞行器结构的整体失效。
3.工程中常见的连接结构，通常是由板面结构、梁结构，壳结构等基础子结构组件通过一定的连接方式构建起来的结构功能体，相比独立的单一材料部件，结构设计复杂，通用性低。在航空航天领域，由于复杂的载荷和严峻的工作环境，高速飞行器中的连接结构件设计尤为系统繁琐，杠、梁、壳等基础结构通常通过螺栓连接，粘接，焊接等方式固定在一起，通过铰链，齿轮，弹簧，锁定器等连接方式形成活动机构。为了保证连接结构的可靠性通常需对各组件进行结构增强，这就导致了整体结构质量的增加。
4.针对上述问题，本实用新型提出了一种基于高温合金的上下分体式的拱形高低温连接结构。基于热结构的拓扑优化技术，找出高低温连接结构在高温度梯度作用下的应力应变曲线。所设计出的高低温结构为带有螺栓连接孔的上下分体式的拱形连接梁和支撑梁的组合体。该结构可在满足气动载荷加载的同时，降低支撑梁在连接件结构径向的热膨胀位移。并且由于采用高温合金单一材料作为连接件的主体材料，使得所设计的连接件结构可以保证结构承载的情况下，满足轻量化设计需求。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本实用新型提出一种上下分体式的拱形高低温连接结构，不仅满足加载外载荷的强度要求，也能有效缓解因热膨胀引起的热应力问题。由于高速飞行器具有对称性，本实用新型中所设计的拱形高低温连接结构件为左右对称结构。
6.为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
7.一种上下分体式的拱形的高低温连接结构，一侧位于低温端，一侧位于高温端，为左右对称结构，左右两部分结构均包括主级支撑梁1、次级弧部支撑梁2、次级底部支撑梁3、拱形连接梁4、水平连接梁5、支撑梁外伸侧螺栓脚6、支撑梁外伸侧螺栓台7、无支撑梁外伸侧螺栓脚8。所述支撑梁外伸侧螺栓脚6、支撑梁外伸侧螺栓台7位于高温端，无支撑梁外伸侧螺栓脚8位于低温端。
8.所述的主级支撑梁1位于拱形连接梁4和水平连接梁5之间，包括两个长条弯曲状结构，两个长条弯曲状结构顶端均与低温端的无支撑梁外伸侧螺栓脚8连接，底端均与高温
端的支撑梁外伸侧螺栓台7连接；两个长条弯曲状结构中两个顶端、底端的距离均大于二者中心点连线的距离。所述两个长条弯曲状结构在竖直高度的1\3和2\3处均有一个横梁将两个长条弯曲状结构相连，上横梁9、下横梁10与两个长条弯曲状结构近似围成一个矩形，起到相互抑制变形的作用；其中，两个长条弯曲状结构与上横梁9的连接点处均连接次级弧部支撑梁2的两个梁结构；两个长条弯曲状结构与下横梁10上均连接次级底部支撑梁3的两个梁结构；即主级支撑梁1高度的1\3和2\3处为次级弧部支撑梁2和次级底部支撑梁3的多根梁结构的交汇处。本实用新型中主级支撑梁1用于起到主要支撑的作用，增加整体的刚度，当结构发生剧烈热膨胀时，能将连接件结构的纵向变形转换为横向变形，从而降低与之相连的低膨胀结构的热膨胀应力。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。
9.所述的次级弧部支撑梁2为不规则形状，一个次级弧部支撑梁2包括四根长条状的梁结构，主级支撑梁1的两个长条弯曲状结构上各有两根，且两根梁结构的一端交汇，另一端向外延伸：其中，一个长条弯曲状结构上的第一根梁结构向另一个长条弯曲状结构方向延伸，并向高温侧延伸，延伸至支撑梁外伸侧螺栓台7，第二根梁结构向另一个长条弯曲状结构方向延伸，并向低温侧延伸，延伸至拱形连接梁4上。第二个长条弯曲状结构上的两根梁结构延伸方向与第一个长条弯曲状结构上的梁结构相同，且向高温侧延伸的两个梁结构端部交汇至一个支撑梁外伸侧螺栓台7上，向低温侧延伸的两个梁结构端部交汇至拱形连接梁4上。本实用新型中次级弧部支撑梁2可将载荷传递到主级支撑梁1上，并起到加强整体连接件结构的刚度作用，同时也能加强连接件与低膨胀结构之间的连接能力。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。
10.所述的次级底部支撑梁3为不规则形状，一个次级底部支撑梁3包括三根长条状结构的梁结构：其中一个梁结构的顶端与下横梁10中部连接，底端与高温侧的支撑梁外伸侧螺栓台7连接，该梁结构与水平面之间的角度为45
°‑
60
°
。另外两根梁结构向低温侧延伸，其梁结构的顶端与下横梁10的两端连接，底端连接在水平连接梁5上。本实用新型中次级底部支撑梁3可将底部受到的载荷传递到主级支撑梁1上，同时延伸到拱形连接梁4底部的支撑梁可加强主级支撑梁1的刚度，抑制其过大的热变形。支撑梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。
11.所述的左右对称结构的两个拱形连接梁4组成长条状的拱形梁结构，拱形梁结构两端的水平距离略小于水平连接梁5两端的距离。所述拱形连接梁4与次级弧部支撑梁2的梁结构垂直连接。所述拱形连接梁4是连接的主体部分，其一侧位于高温端，一侧位于低温段，是高温端低温端的主要过渡部分。连接梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。
12.所述的左右对称结构的两个水平连接梁5组成长条状的水平梁结构，与拱形连接梁4位于同一竖直平面内，其两端长度略大于拱形连接梁两端的水平距离。所述水平连接梁5是连接的主体部分，其一侧位于高温端，一侧位于低温段，是高温端低温端的主要过渡部分。连接梁的形状、尺寸大小由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。
13.所述的支撑梁外伸侧螺栓脚6由若干单、双螺栓脚组成，设于拱形连接梁4和水平连接梁5上，向高温侧伸出，其中，拱形连接梁4和水平连接梁5中部的支撑梁外伸侧螺栓脚6为“8”字型的双螺栓安装脚，目的是增强连接性能，减小高温端的低膨胀材料的位移；拱形
连接梁4和水平连接梁5两端的支撑梁外伸侧螺栓脚6为单螺栓脚，此处的连接水平较低，采用单螺栓脚可减轻质量。螺栓安装脚的直径大小、厚度等由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。
14.所述的支撑梁外伸侧螺栓台7与拱形连接梁4和水平连接梁5之间没有连接关系，位于高温端，用于与外伸出来的次级支撑梁2、3的梁结构相连接，起到加强连接和承接载荷的作用。该侧处于整体环境的高温端。螺栓台的高度、螺孔直径大小等由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。
15.所述的无支撑梁外伸侧螺栓脚8由若干单螺栓脚组成，设于拱形连接梁4和水平连接梁5上，向低温侧伸出，该侧处于整体环境的低温端。由于低温端的应力水平较小，因此采用单螺栓安装脚以减轻质量。无支撑梁外伸侧的安装脚排布与支撑梁外伸侧的安装脚位置并行，避免连接时对中间的连接梁产生剪切应力。螺栓安装脚的直径大小、厚度等由整体结构所受的载荷大小、热边界条件确定。
16.进一步的，所述主级支撑梁1两个长条弯曲状结构的底部均设有一个加强筋11，加强筋11顶端与长条弯曲状结构的底部交汇，底端与高温侧的支撑梁外伸侧螺栓台7连接，此处的支撑梁外伸侧螺栓台7与主级支撑梁1两个长条弯曲状结构底部连接的支撑梁外伸侧螺栓台7是同一个。
17.本实用新型的有益效果为：在尽量减轻飞行器高低温连接结构重量的情况下，采用楔形螺栓连接安装，可有效降低与连接件连接的热端结构如陶瓷罩等，由于热膨胀系数不同导致的过高热应力问题，有效减轻结构之间的热失配现象。同时加装次级梁的支撑结构件，可提高连接件承受外力载荷的能力，从而整体增强了高低温连接结构的强度。
附图说明
18.图1为本实用新型的整体结构示意图；
19.图2为本实用新型的左半结构示意图；
20.图3为本实用新型的结构各级支撑梁的分解示意图；
21.图4为本实用新型的结构连接梁和各螺栓连接处的分解示意图；
22.图5为本实用新型主级支撑梁的结构示意图；
23.图中：1主级支撑梁；2次级弧部支撑梁；3次级底部支撑梁；4拱形连接梁；5水平连接梁；6支撑梁外伸侧螺栓脚；7支撑梁外伸侧螺栓台；8无支撑梁外伸侧螺栓脚；9上横梁；10下横梁；11加强筋。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。
25.本实用新型是一种独立的拱形带支撑的高低温连接结构，为左右对称结构，包括两个主级支撑梁1、两个次级弧部支撑梁2、两个次级底部支撑梁3、两个拱形连接梁4、两个水平连接梁5、多个支撑梁外伸侧螺栓脚6、多个支撑梁外伸侧螺栓台7、多个无支撑梁外伸侧螺栓脚8。
26.所述的主级支撑梁1位于拱形连接梁4和水平连接梁5之间，包括两个长条弯曲状结构，两个长条弯曲状结构顶端均与低温端的无支撑梁外伸侧螺栓脚8连接，底端均与低温
端的支撑梁外伸侧螺栓台7连接；两个长条弯曲状结构中两个顶端、底端的距离均大于二者中心点连线的距离。所述两个长条弯曲状结构在竖直高度的1\3和2\3处均有一个横梁将两个长条弯曲状结构相连，上横梁9、下横梁10与两个长条弯曲状结构近似围成一个矩形，起到相互抑制变形的作用；其中，两个长条弯曲状结构与上横梁9的连接点处均连接次级弧部支撑梁2的两个梁结构；两个长条弯曲状结构之间下横梁10处连接次级底部支撑梁3的两个梁结构；即主级支撑梁1高度的1\3和2\3处为次级弧部支撑梁2和次级底部支撑梁3的多根梁结构的交汇处。
27.所述的次级弧部支撑梁2为四根不规则形状长条状的梁结构，主级支撑梁1的两个长条弯曲状结构上各有两根，两个长条弯曲状结构上的两根梁结构的一端交汇，另一端向外延伸：其中，一个长条弯曲状结构上的一根梁结构向另一个长条弯曲状结构方向延伸，并向高温侧延伸，延伸至支撑梁外伸侧螺栓台7；一个长条弯曲状结构上的第二根梁结构向另一个长条弯曲状结构方向延伸，并向低温侧延伸，延伸至拱形连接梁4上。第二个长条弯曲状结构上的两根梁结构延伸方向与第一个长条弯曲状结构上的梁结构相同，且向高温侧延伸的两个梁结构端部交汇至一个支撑梁外伸侧螺栓台7上，向低温侧延伸的两个梁结构端部交汇至拱形连接梁4上。
28.所述的次级底部支撑梁3为三根不规则形状长条状结构的梁结构：其中一个梁结构的顶端与下横梁10连接，底端与高温侧的支撑梁外伸侧螺栓台7连接，该梁结构与水平面之间的角度为50
°
。另外两根梁结构向低温侧延伸，其梁结构的顶端与下横梁10的两端连接，底端连接在水平连接梁5上。
29.所述的左右对称结构的两个拱形连接梁4组成长条状的拱形梁结构，拱形梁结构两端的水平距离略小于水平连接梁5两端的距离。所述拱形连接梁4与次级弧部支撑梁2的梁结构垂直连接。所述拱形连接梁4是连接的主体部分，其一侧位于高温端，一侧位于低温段。
30.所述的左右对称结构的两个水平连接梁5组成长条状的水平梁结构，与拱形连接梁4位于同一竖直平面内，其两端长度略大于拱形连接梁两端的水平距离。所述水平连接梁5是连接的主体部分，其一侧位于高温端，一侧位于低温段。
31.所述的支撑梁外伸侧螺栓脚6共由24个单、双螺栓脚组成，设于拱形连接梁4和水平连接梁5上，向高温侧伸出，其中，拱形连接梁4和水平连接梁5中部的支撑梁外伸侧伸出10个“8”字型的双螺栓安装脚；拱形连接梁4和水平连接梁5两端的支撑梁外伸侧伸出14单螺栓脚。
32.所述的支撑梁外伸侧螺栓台7与拱形连接梁4和水平连接梁5之间没有连接关系，位于高温端，用于与外伸出来的次级支撑梁2、3的梁结构相连接，上下共计八个。该侧处于整体环境的高温端。
33.所述的无支撑梁外伸侧螺栓脚8共由24个单螺栓脚组成，设于拱形连接梁4和水平连接梁5上，向低温侧伸出，该侧处于整体环境的低温端。无支撑梁外伸侧的安装脚排布与支撑梁外伸侧的安装脚位置并行。
34.以上所述实施例仅表达本实用新型的实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。