阅读说明：本技术 网格加强筋柱壳、具有其的运载火箭及其加工方法 (Grid reinforcing rib column shell, carrier rocket with grid reinforcing rib column shell and machining method of carrier rocket ) 是由 周焕林 孟增 荣运高 李孝宝 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种网格加强筋柱壳,包括柱壳本体和网格加强筋,柱壳本体具有内周面；网格加强筋布置在整个内周面上,网格加强筋的筋体截面在柱壳本体轴向方向上由两端向中部逐渐增大。本发明的网格加强筋柱壳承载能力高、加工工艺简单、能够使柱壳实现轻量化设计且适合进行大规模量产。(The invention discloses a grid reinforcing rib column shell, which comprises a column shell body and grid reinforcing ribs, wherein the column shell body is provided with an inner peripheral surface; the grid reinforcing ribs are arranged on the whole inner circumferential surface, and the rib body sections of the grid reinforcing ribs are gradually increased from two ends to the middle in the axial direction of the column shell body. The grid reinforcing rib column shell has high bearing capacity and simple processing technology, can realize light weight design of the column shell, and is suitable for large-scale mass production.)

网格加强筋柱壳、具有其的运载火箭及其加工方法

技术领域

本发明涉及航空航天结构主承力构件设计领域，尤其是涉及一种网格加强筋柱壳、具有其的运载火箭及其加工方法。

背景技术

随着人类对航天航空领域的不断探索，运载火箭作为人类向太空运送航天器的主要工具，其直径不断增加，所面临的服役环境也越来越苛刻，对运载火箭结构承载能力也提出了更高要求。运载火箭的助推结构、贮箱等主承力结构中大量采用了网格加筋柱壳结构。对于传统网格加筋柱壳结构来说，运载火箭结构承载能力的增加通常也意味着结构重量的增加，这将造成火箭运载能力的大幅折减。迄今为止，如何在结构承载能力增加的同时避免结构重量的过分增加是航天航空领域的重大难题。另一方面，如何在减轻运载火箭的结构干重的同时保证结构承载能力不受严重影响也是相关技术人员正在攻克的研究课题。总而言之，提高运载火箭的承载能力和减轻结构干重在推进航空航天事业的发展有重要意义。相关网格加筋柱壳结构研究表明，不同结构形式的网格加筋柱壳的承载能力存在巨大差异，因此研究新型网格加筋柱壳结构对于提高运载火箭的承载能力和减轻结构干重给出了一种有效的解决途径。开发具备更高承载能力的网格加筋柱壳新型构型对于实现航天运载器的轻量化设计具有重要的工程意义。

运载火箭中箭体承力结构主要受到相邻部段的反作用力，反作用力的主要形式为作用在舱段位置的弯矩、轴向力和剪力。在分析结构的承载能力时，常常将弯矩等效为轴向力，剪力通常因远小于轴向力而不考虑其对结构承载力产生的影响。在各种载荷作用下，箭体承力结构受力模型可以简化为仅承受轴向压力作用的网格加筋柱壳力学模型。

网格加筋柱壳等薄壁结构在制造、运输、安装和使用过程中会被造成不同程度的初始缺陷，这种初始缺陷会导致结构性能大幅降低。薄壁结构的初始缺陷一般分为物理缺陷和几何缺陷，物理缺陷包括结构夹杂、焊接和滚弯导致的残余应力等缺陷，几何缺陷包括截面不圆度、壁厚不一致、轴线不直等缺陷。实际结构中存在不同程度的初始缺陷，导致了薄壁结构的数值计算与实验结果之间存在较大差异。为了系统性的研究初始缺陷对不同构型的网格加筋柱壳结构承载能力产生的影响，不同的缺陷敏感性分析方法相继被提出。缺陷敏感性分析方法中多数以折减因子来表征网格加筋柱壳承载能力关于初始缺陷的缺陷敏感性，折减因子等于薄壁结构含缺陷状态下的极限载荷与不含缺陷状态下的极限载荷之比，因此折减因子为0-1间的某个数值。而且，折减因子越高，代表着初始缺陷对结构性能产生的影响越小，结构的缺陷敏感性越低；反之，结构的缺陷敏感性越高。实际工程中仅仅关注薄壁结构不含缺陷情况下的承载能力往往会造成结构安全性隐患，所以新型结构设计方案中应该考虑结构在抵抗缺陷方面的能力，以求开发具有较高折减因子的新型网格加筋柱壳结构。

随着机械铣切代技术替化学铣切技术、滚弯与机械铣切技术相结合以及数字化制造技术等网格加筋结构制造技术的不断发展和改进，在一定程度上减少了网格加筋结构的制造误差，但结构还是会存在其他方面的物理缺陷和几何缺陷。结构初始缺陷是多方面的，是影响结构承载能力不可避免的随机因素。顺应时代的不断发展，运载火箭的直径将不断增加，这将导致箭体结构的径厚比(箭体的直径和等效厚度之比)不断变大。研究表明，薄壁壳体的径厚比越大，结构对初始缺陷愈发敏感。对于大直径的网格加筋柱壳结构来说，低缺陷敏感性的新型结构方案将带来更为可观的实用价值，具有广泛的应用前景。

关于网格加筋结构的实验成本太高，不利于进行大规模的相关实验，所以基于精细数值分析方法获取结构性能指标的途径广泛应用于网格加筋结构的研究中。研究人员开展了网格加筋结构关于各种缺陷的敏感性分析，考虑了特征值模态缺陷、集中力缺陷、单点凹陷缺陷、不利多点凹陷缺陷以及焊缝缺陷等缺陷对网格加筋结构承载能力的影响。关于网格加筋结构的优化工作也取得相应进展，结构减重和提高结构承载能力在优化技术下取得一定成效。但值得注意的是，多数相关的研究工作均是针对特定的某种网格加筋结构，并没有开发出具有更低缺陷敏感性的新型结构方案。

关于网格加筋结构的破坏形式，研究人员也进行了各方面的研究，发现结构的屈曲失稳总是先于强度破坏出现在承力构件中，且多数结构的屈曲失稳破坏是起始于承力构件的中部，这与受到轴向载荷的网格加筋结构中部位置率先不满足稳定性条件有关。提高网格加筋结构的承载能力、开发具有优良力学性能的新型承力结构可以从针对这种结构破坏形式方面出发，将承力构件的破坏形式引向更不易发生的状态。

综上所述，目前有必要提出一种网格加强筋柱壳结构，以减小网格加筋结构对初始缺陷的敏感性，降低初始缺陷对网格加筋结构承载能力产生的影响，为运载火箭结构干重的轻量化设计提供了一种切实可行的结构方案。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种网格加强筋柱壳，能够提高网格加强筋柱壳的承载能力、加工工艺简单、能够使柱壳实现轻量化设计且适合进行大规模量产。

根据本发明第一方面实施例的网格加强筋柱壳，包括：

柱壳本体，所述柱壳本体具有内周面；

网格加强筋，所述网格加强筋布置在整个所述内周面上，所述网格加强筋的筋体截面在所述柱壳本体轴向方向上由两端向中部逐渐增大。

根据本发明实施例的网格加强筋柱壳，通过在柱壳本体的内周布置网格加强筋，增强柱壳本体的刚度，网格加强筋的筋体截面在柱壳本体轴向方向上由两端向中部逐渐增大，降低了柱壳本体两端刚度且增强了柱壳本体中部刚度，避免了柱壳本体中部率先发生屈曲失稳，从而提高了承力结构的承载能力，降低了结构对初始缺陷的敏感性。柱壳本体为圆柱形，在圆柱形的柱壳本体内周面设置网格加强筋，网格加强筋的筋体截面在柱壳本体轴向方向上由两端向中部逐渐增大，形成中部筋条高、两端筋条低的筋条布局，提高了柱壳本体中部刚度，在受到轴向载荷时，避免了柱壳本体中部率先发生屈曲失稳导致柱壳断裂，增强了网格加强筋柱壳的承载能力，同时加工工艺简单、能够使柱壳实现轻量化设计且适合进行大规模量产。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述网格加强筋包括按照第一方向设置的多个第一加强筋和按照第二方向设置的多个第二加强筋，多个所述第一加强筋与多个所述第二加强筋相交形成所述网格；其中，多个所述第一加强筋在不同部位处的宽度均相同，多个所述第一加强筋的高度在所述柱壳本体轴向方向上由两端向中部逐渐增大且在所述柱壳本体的同一径向截面方向上相同；多个所述第二加强筋在不同部位处的宽度均相同，多个所述第二加强筋的高度在所述柱壳本体轴向方向上由两端向中部逐渐增大且在所述柱壳本体的同一径向截面方向上相同。

根据本发明第一方面进一步的实施例，多个所述第一加强筋的所述第一方向与所述柱壳本体的轴向同向，多个所述第一加强筋沿所述柱壳本体周向间隔分布；多个所述第二加强筋的所述第二方向与所述柱壳本体的周向同向，多个所述第二加强筋沿所述柱壳本体轴向间隔分布。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，多个所述第一加强筋的高度呈连续直线性变化或连续曲线性变化，多个所述第二加强筋的高度在所述柱壳本体轴向方向上由两端向中部呈间断性线性变化或间断性曲线变化。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，所述第一加强筋的最高高度小于最低高度的2倍，所述第二加强筋的最高高度小于最低高度的2倍。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，多个所述第一加强筋的宽度和多个所述第二加强筋的宽度相同。

根据本发明第一方面进一步的实施例，多个所述第一加强筋的所述第一方向与所述柱壳本体轴向方向斜交，多个所述第二加强筋的所述第二方向与所述柱壳本体轴向方向斜交。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，多个所述第一加强筋的高度呈连续直线性变化或连续曲线性变化，多个所述第二加强筋的高度呈连续直线性变化或连续曲线性变化。

本发明第二方面还提出了一种运载火箭。

根据本发明第二方面实施例所述的具有上述任意一个实施例的网格加强筋柱壳的运载火箭。

本发明第三方面还提出了如上述任意一个第一方面实施例的所述网格加筋柱壳的加工方法。

根据本发明第三方面实施例所述的网格加强筋柱壳的加工方法，包括如下步骤：

加工出预定的轮廓板：根据所述网格加强筋的高度沿所述柱壳本体长度方向变化的规律，采用铣切方式加工出预定的轮廓板，所述轮廓板在长度方向上由两端向中部逐渐变厚；

加工出网格加强筋：采用铣切方式在所述轮廓板上加工出所述网格加强筋，得到加工成型板；

柱壳成型：采用滚弯方式将所述加工成型板滚弯，再结合搅拌摩擦焊接方式将所述加工成型板对接焊接。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明第一方面实施例的网格加筋柱壳的结构示意图。

图2为本发明第一方面实施例的网格加筋柱壳的局部放大示意图。

图3为本发明第一方面实施例的网格加筋柱壳的第一加强筋高度采用曲线型变化规律时的第一加强筋示意图。

图4为本发明第一方面实施例的网格加筋柱壳的第一加强筋高度采用线性变化规律时的第一加强筋示意图。

附图标记：

网格加强筋柱壳1000

柱壳本体1 内周面11 外周面12

网格加强筋2 第一加强筋21 第二加强筋22

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图4来描述根据本发明实施例的网格加强筋柱壳1000。

如图1至图4所示，根据本发明第一方面实施例的网格加强筋柱壳1000，包括柱壳本体1和网格加强筋2。其中，柱壳本体1具有内周面11；网格加强筋2布置在整个内周面11上，网格加强筋2的筋体截面在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部逐渐增大。

具体而言，柱壳本体1作为主承力构件，具有内周面11与外周面12，如图1所示，柱壳本体1可以为圆柱形，在圆柱形的柱壳本体1内周面11设置网格加强筋2，网格加强筋2的筋体截面在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部逐渐增大，降低了柱壳本体1两端刚度且增强了柱壳本体1中部刚度，避免了柱壳本体1中部率先发生屈曲失稳，从而提高了承力结构的承载能力，降低了结构对初始缺陷的敏感性；在圆柱形的柱壳本体1外周面12平滑，使得网格加强筋柱壳1000外周面12较为美观。

网格加强筋2布置在柱壳本体1内周面11上，可以形成一体件，筋体截面在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部逐渐增大，由此降低了柱壳本体1两端刚度且增强了柱壳本体1中部刚度，当柱壳本体1受到轴向载荷时，屈曲失稳先于强度破坏出现在柱壳本体1中，柱壳本体1发生弯曲使得柱壳本体1中部失去稳定状态，将网格加强筋2布置在柱壳本体1内周面11，避免了柱壳本体1中部率先发生屈曲失稳，从而提高了承力结构的承载能力，降低了结构对初始缺陷的敏感性。

根据本发明实施例的网格加强筋柱壳1000，通过在柱壳本体1的内周布置网格加强筋，增强柱壳本体1的刚度，网格加强筋2的筋体截面在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部逐渐增大，降低了柱壳本体1两端刚度且增强了柱壳本体1中部刚度，避免了柱壳本体1中部率先发生屈曲失稳，从而提高了承力结构的承载能力，降低了结构对初始缺陷的敏感性。柱壳本体1为圆柱形，在圆柱形的柱壳本体1内周面11设置网格加强筋，网格加强筋2的筋体截面在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部逐渐增大，形成中部筋条高、两端筋条低的筋条布局，提高了柱壳本体1中部刚度，在受到轴向载荷时，避免了柱壳本体1中部率先发生屈曲失稳导致柱壳断裂，增强了网格加强筋柱壳1000的承载能力，同时加工工艺简单、能够使柱壳实现轻量化设计且适合进行大规模量产。

根据本发明第一方面的一个实施例，网格加强筋2包括按照第一方向设置的多个第一加强筋21和按照第二方向设置的多个第二加强筋22，多个第一加强筋21与多个第二加强筋22相交形成网格；其中，多个第一加强筋21在不同部位处的宽度均相同，多个第一加强筋21的高度在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部逐渐增大且在柱壳本体1的同一径向截面方向上相同；多个第二加强筋22在不同部位处的宽度均相同，多个第二加强筋22的高度在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部逐渐增大且在柱壳本体1的同一径向截面方向上相同。可以理解的是，第一方向和第二方向可以为任意的方向但第一方向与第二方向的方向不同可以使多个第一加强筋21与多个第二加强筋22在柱壳本体1内周面11相交布置形成网格，使得柱壳本体1的强度提高；多个第一加强筋21在不同部位处的宽度均相同，多个第二加强筋22在不同部位处的宽度均相同，由此，第一加强筋21与第二加强筋22都可以为标准尺寸，加工难度较低，使得初始缺陷程度较低，折减因子较高，缺陷敏感性较低，网格加强筋柱壳1000的承载能力较高；多个第一加强筋21的高度在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部逐渐增大且在柱壳本体1的同一径向截面方向上相同，多个第二加强筋22的高度在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部逐渐增大且在柱壳本体1的同一径向截面方向上相同，由此，使得柱壳本体1两端刚度降低且柱壳本体1中部刚度增强，避免了柱壳本体1中部率先发生屈曲失稳，提高了网格加强筋柱壳1000同一径向截面上的承载能力，降低了结构对初始缺陷的敏感性。

根据本发明第一方面进一步的实施例，多个第一加强筋21的第一方向与柱壳本体1的轴向同向，多个第一加强筋21沿柱壳本体1周向间隔分布；多个第二加强筋22的第二方向与柱壳本体1的周向同向，多个第二加强筋22沿柱壳本体1轴向间隔分布。可以理解的是，多个第一加强筋21与多个第二加强筋22垂直相交，沿柱壳本体1轴向方向分布的多个第二加强筋22高度随第一加强筋21高度变化而相应地变化，从而越靠近柱壳本体1中部的第二加强筋22高度越高，越靠近柱壳本体1两端的第一加强筋21高度越低，使得柱壳本体1两端刚度降低且柱壳本体1中部刚度增强，避免柱壳本体1中部率先发生弯曲变形使结构失去稳定状态。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，多个第一加强筋21的高度呈连续直线性变化或连续曲线性变化，多个第二加强筋22的高度在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部呈间断性线性变化或间断性曲线变化。可以理解的是，多个第一加强筋21高度在轴向上由两端向中部连续的增大，如图3和图4所示，第一加强筋21可以为曲线型增大或者是直线型增大，多个第二加强筋22在柱壳本体1内周面11沿轴线方向间隔分布，多个第二加强筋22中的一条第二加强筋22各截面高度不变且多个第二加强筋22在与多个第一加强筋21相交处两者高度相同，所以，第二加强筋22在柱壳本体1轴向方向上由两端向中部呈间断性线性变化或间断性曲线变化。由此，使得柱壳本体1两端刚度降低且柱壳本体1中部刚度增强，避免柱壳本体1中部率先发生弯曲变形使结构失去稳定状态。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，第一加强筋21的最高高度小于最低高度的2倍，第二加强筋22的最高高度小于最低高度的2倍。由此，避免由于网格加筋柱两端与中部差值过大将柱壳本体1的破坏形式过分导向网格加强筋柱壳1000的两端。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，多个第一加强筋21的宽度和多个第二加强筋22的宽度相同。由此，多个第一加强筋21与多个第二加强筋22的宽度都是标准尺寸，加工难度较低，使得初始缺陷程度较低，折减因子较高，缺陷敏感性较低，网格加强筋柱壳1000的承载能力较高。

根据本发明第一方面进一步的实施例，多个第一加强筋21的第一方向与柱壳本体1轴向方向斜交，多个第二加强筋22的第二方向与柱壳本体1轴向方向斜交。可以理解的是，第一加强筋21与第二加强筋22斜交可以包括以下几种情况：第一种，多个第一加强筋21沿柱壳本体1轴向布置，多个第二加强筋22的第二方向与柱壳本体1轴向方向斜交，多个第一加强筋21与多个第二加强筋22相交形成网格；第二种，多个第二加强筋22沿柱壳周向布置，多个第一加强筋21的第一方向与柱壳本体1周向方向斜交，多个第一加强筋21与多个第二加强筋22相交形成网格；第三种，多个第一加强筋21的第一方向与柱壳本体1轴向方向斜交，多个第二加强筋22的第二方向与柱壳本体1轴向方向斜交，多个第一加强筋21与多个第二加强筋22相交形成网格。由此，柱壳本体1的承载能力增大，加工工艺简单、能够使柱壳实现轻量化设计且适合进行大规模量产。

根据本发明第一方面再进一步的实施例，多个第一加强筋21的高度呈连续直线性变化或连续曲线性变化，多个第二加强筋22的高度呈连续直线性变化或连续曲线性变化。可以理解的是，多个第一加强筋21与第二加强筋22高度在轴向上由两端向中部连续的增大，如图3和图4所示，第一加强筋21与第二加强筋22可以为曲线型增大或者是直线型增大，多个第二加强筋22在柱壳本体1内周面11与第一加强筋21相交处两者高度相同。由此，使得柱壳本体1两端刚度降低且柱壳本体1中部刚度增强，避免柱壳本体1中部率先发生弯曲变形使结构失去稳定状态。

本发明还提出了一种运载火箭。

根据本发明第二方面实施例的运载火箭，具有上述任意一个实施例的网格加强筋柱壳1000。可以理解的是，运载火箭的助推结构、贮箱等主承力结构中采用了网格加强筋柱壳1000作为箭体的承力结构。

本发明第三方面还提出了如上述任意一个第一方面实施例的网格加筋柱壳1000的加工方法。

根据本发明第三方面实施例的网格加强筋柱壳1000的加工方法，包括如下步骤：

加工出预定的轮廓板：根据网格加强筋2的高度沿柱壳本体1长度方向变化的规律，采用铣切方式加工出预定的轮廓板，轮廓板在长度方向上由两端向中部逐渐变厚；

加工出网格加强筋2：采用铣切方式在轮廓板上加工出网格加强筋2，得到加工成型板；

柱壳成型：采用滚弯方式将加工成型板滚弯，再结合搅拌摩擦焊接方式将加工成型板对接焊接。

根据本发明第三方面的加工方法，依据实际要求的筋条高度，通过铣切方式加工出两端薄中间厚的轮廓板，由此，降低了柱壳本体1两端刚度且增强了柱壳本体1中部刚度，避免了柱壳本体1中部率先发生屈曲失稳，从而提高了承力结构的承载能力；再使用铣切方式在预定的轮廓板加工出宽度相同的多个第一加强筋21与多个第二加强筋22，将第一加强筋21与第二加强筋22之间的网格区域铣切至柱壳本体1厚度位置，由此，使得多个第一加强筋21与多个第二加强筋22的宽度都是标准尺寸，加工难度较低，使得初始缺陷程度较低，折减因子较高，缺陷敏感性较低，网格加强筋柱壳1000的承载能力较高；最后使用滚弯技术将成型板滚弯且光滑面为外周面，再结合搅拌摩擦焊接方式将加工成型板对接焊接，加工工艺简单、能够使柱壳实现轻量化设计且适合进行大规模量产。

需要说明的是，可根据网格加强筋柱壳1000的直径、长度、效用等指标由数值优化技术确定柱壳本体1内周面11的中部加强筋高度和端部加强筋高度、加强筋宽度、柱壳本体1厚度、第一加强筋21数量以及第二加强筋22数量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。