一种缠绕式法兰底座及其制作方法
阅读说明：本技术 一种缠绕式法兰底座及其制作方法 (Winding type flange base and manufacturing method thereof ) 是由 赵积鹏 于斌 马天驹 顾森东 刘志栋 杨震春 张建军 张海 杨文博 李玉峰 张涛 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本申请涉及复合材料气瓶技术领域,具体而言,涉及一种缠绕式法兰底座及其制作方法,所述缠绕式法兰底座包括依次连接的筒段缠绕区、应力补强区、封头渐变壁厚区、底座安装区以及底座约束区,其中：筒段缠绕区与复合气瓶筒段的复合层外层缠绕固定；应力补强区的壁厚大于2倍的基础壁厚；封头渐变壁厚区设置有均匀的减重孔；底座安装区沿圆周方向设置有均匀的螺纹孔；底座约束区与复合气瓶的挂丝台配合连接。本发明提供的缠绕式法兰底座具有轻质高强、抗动力学载荷能力强、可靠性高、安全性高的特点,主要用于固定缠绕复合气瓶,使大容积、大重量、高长径比、轻质高强、携带超重工质的复合气瓶能够与卫星新型桁架式承力结构完美装配对接。(The application relates to the technical field of composite material gas cylinders, particularly, relates to a wound flange base and a manufacturing method thereof, the wound flange base comprises a barrel section winding area, a stress reinforcement area, a seal head gradual-change wall thickness area, a base installation area and a base restraint area which are sequentially connected, wherein: the cylinder section winding area is fixedly wound with the outer layer of the composite cylinder section of the composite gas cylinder; the wall thickness of the stress reinforcing area is more than 2 times of the wall thickness of the foundation; the gradual change wall thickness area of the end socket is provided with uniform lightening holes; the base mounting area is provided with uniform threaded holes along the circumferential direction; the base restraint area is connected with a wire hanging table of the composite gas cylinder in a matching way. The winding type flange base provided by the invention has the characteristics of light weight, high strength, strong dynamic load resistance, high reliability and high safety, and is mainly used for fixing and winding the composite gas cylinder, so that the composite gas cylinder with large volume, heavy weight, high length-diameter ratio, light weight, high strength and overweight working media can be perfectly assembled and butted with a novel truss type bearing structure of a satellite.)
技术领域
本申请涉及复合材料气瓶技术领域，具体而言，涉及一种缠绕式法兰底座及其制作方法。
背景技术
桁架式承力结构具有轻质高强、结构效率高、占空效率高、固有频率高等优点，已经成为新型大型卫星平台承力结构的首选。新型大型卫星平台采用桁架式承力结构替代传统的承力筒式承力结构，卫星平台电推进分系统10-15年以及更长期的服役寿命需携带更大量的高压氙气推进剂，因此复合气瓶结构向大容积、大重量、高长径比、轻质高强的方向发展，复合气瓶携带的推进剂重量由化学推进增压高压氦气的十几公斤左右向电推进高压氙气的上百公斤发展，新型桁架结构的动力学传递特性、新平台下复合气瓶的结构特点、携带的高压氙气超大重量等方面都对复合气瓶的安装接口提高了更大的技术要求。
现有的复合气瓶安装对接方式一般采用传统的复合气瓶金属内衬螺接的金属法兰结构，但是该法兰结构只适用于传统的承力筒安装，存在重量大、扭矩大、应力集中的缺点，针对大容积、大重量、高长径比、轻质高强、携带超重工质复合气瓶与卫星新型桁架式承力结构的装配连接问题目前并没有很好的解决方法。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种缠绕式法兰底座及其制作方法，解决了大容积、大重量、高长径比、轻质高强、携带超重工质复合气瓶与卫星新型桁架式承力结构的装配连接问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种缠绕式法兰底座，结构为封头底座带筒段，包括依次连接的筒段缠绕区、应力补强区、封头渐变壁厚区、底座安装区以及底座约束区，其中：筒段缠绕区与复合气瓶筒段的复合层外层缠绕固定；应力补强区的壁厚大于2倍的基础壁厚；封头渐变壁厚区设置有均匀的减重孔；底座安装区沿圆周方向设置有均匀的螺纹孔；底座约束区与复合气瓶的挂丝台配合连接。
进一步的，筒段缠绕区为渐变增厚结构，沿轴向均匀的开设有应力释放槽。
进一步的，筒段缠绕区沿环向等距离开设有树脂环向固定槽。
进一步的，缠绕固定采用变角度近环向缠绕线型的湿法缠绕工艺。
进一步的，复合气瓶为等张力封头圆柱形结构。
进一步的，复合气瓶密封端上封头凸起圆柱与桁架式承力结构支撑板连接。
进一步的，底座安装区与桁架式承力结构的对接环连接。
进一步的，复合气瓶的外径≤φ800mm，长度≤2500mm，储存推进剂重量≤500kg。
本申请还提供了一种制作缠绕式法兰底座的方法，包括如下步骤：步骤1：采用TC4钛合金板材夹板热冲压完成缠绕式法兰底座的封头带筒段毛坯成型；步骤2：采用车加工工艺完成缠绕式法兰底座内外表面的机械加工；步骤3：采用数控铣工艺完成缠绕式法兰底座筒段缠绕区应力释放槽的加工；步骤4：采用数控铣工艺完成缠绕式法兰底座封头渐变壁厚区减重孔的加工；步骤5：采用钻孔攻丝工艺完成缠绕式法兰底座安装区的螺纹孔加工。
本发明提供的一种缠绕式法兰底座及其制作方法，具有以下有益效果：
1、本发明提供的缠绕式法兰底座具有轻质高强、抗动力学载荷能力强、可靠性高、安全性高的特点，主要用于固定缠绕复合气瓶，使大容积、大重量、高长径比、轻质高强、携带超重工质的复合气瓶能够与卫星新型桁架式承力结构完美装配对接。
2、通过在筒段缠绕区设置应力释放槽以及树脂环向固定槽，提高了缠绕式法兰底座筒段区与复合材料气瓶的的应力应变协调性，也提高了筒段缠绕区固定的径向和轴向的拉紧力。
3、缠绕式法兰底座与桁架式承力结构对接环面直接接触，并且通过螺栓连接固定，实现了固定刚性全约束，此外复合气瓶密封端上封头凸起圆柱与桁架式承力结构支撑板的X、Y径向约束，从而实现复合气瓶与卫星新型桁架式承力结构的装配连接，较大的提高了机械连接的可靠性和安全性。
4、通过缠绕式法兰底座代替传统的金属内衬连接金属法兰结构，消除了局部应力集中，结构应力水平降低了70％，安全系数提高3倍，安装结构重量降低了20％。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的一种缠绕式法兰底座的示意图；
图2是根据本申请实施例提供的复合气瓶与与桁架式承力结构连接示意图；
图中：1-筒段缠绕区、11-应力释放槽、2-应力补强区、3-封头渐变壁厚区、31-减重孔、4-底座安装区、5-底座约束区、6-复合气瓶、61-挂丝台、62-上封头、7-桁架式承力结构、71-对接环、72-支撑板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，本申请提供了一种缠绕式法兰底座，结构为封头底座带筒段，包括依次连接的筒段缠绕区1、应力补强区2、封头渐变壁厚区3、底座安装区4以及底座约束区5，其中：筒段缠绕区1与复合气瓶6筒段的复合层外层缠绕固定；应力补强区2的壁厚大于2倍的基础壁厚；封头渐变壁厚区3设置有均匀的减重孔31；底座安装区4沿圆周方向设置有均匀的螺纹孔；底座约束区5与复合气瓶6的挂丝台61配合连接。
具体的，本申请实施例提供的缠绕式法兰底座主要用于固定缠绕放置大容积、大重量、高长径比、轻质高强、携带超重工质的复合气瓶6，将复合气瓶6进行固定并且与卫星新型桁架式承力结构7进行装配对接，从而为卫星平台电推进提供所需的气体推进剂。缠绕式法兰底座材料优选为TC4钛合金，整体结构包括筒段以及底座，其中筒段缠绕区1主要用于和靠近复合气瓶6气口端下封头的筒段复合层的外层进行缠绕固定，使复合气瓶6能够稳定的缠绕固定在法兰底座上，从而和桁架式承力结构7进行装配对接。应力补强区2主要设置在复合气瓶6瓶体与下封头交界处的外壁，由于瓶体和封头交界处存在弯矩、扭矩等复杂应力，采用补强结构能够提高法兰底座的可靠性，壁厚优选采用基础壁厚2.5倍壁厚进行补强，并且应力补强区2与基础壁厚过渡区采用渐变结构。封头渐变壁厚区3设置在复合瓶封头的外侧，采用渐变壁厚设计，并且设置有均匀的减重孔31，在满足强度、刚度的要求下，能够最大限度降低法兰底座的重量。底座安装区4主要用于和桁架式承力结构7的对接环71进行连接，底座安装区4优选沿φ出100mm圆周方向加工8个均布的M8内螺纹，通过螺栓与对接环71进行固定连接，实现刚性全约束。底座约束区5主要用于对复合气瓶6的径向进行约束，与复合气瓶6气口端下封头的挂丝台61进行连接配合，实现复合气瓶6挂丝台61的X、Y两个方向的径向约束，满足复合气瓶6压力变化封头伸缩结构变化的要求。
进一步的，筒段缠绕区1为渐变增厚结构，沿轴向均匀的开设有应力释放槽11。在本申请实施例中，筒段缠绕区1均布的应力释放槽11优选为48个，设置应力释放槽11主要用于提高筒段缠绕区1与复合气瓶6筒段的应力应变协调性，以及提高筒段缠绕区1的径向拉紧力。
进一步的，筒段缠绕区1沿环向等距离开设有树脂环向固定槽。在本申请实施例中，筒段缠绕区1设置的树脂环向固定槽优选为3个，主要用于提高筒段缠绕区1的轴向拉紧力。
进一步的，缠绕固定采用变角度近环向缠绕线型的湿法缠绕工艺。在本申请实施例中，筒段缠绕区1与复合气瓶6筒段的复合层外层缠绕固定优选采用26°变角度近环向缠绕线型的湿法缠绕工艺，将法兰底座和复合气瓶6稳定的缠绕在一起，其中，筒段缠绕区1整体缠绕拉紧力不小于复合气瓶6动力学载荷强度的3倍，筒段缠绕区1的高度优选为130mm，缠绕层厚度优选为4.2mm。
进一步的，复合气瓶6为等张力封头圆柱形结构。复合气瓶6优选为上下具有封头，瓶体为柱形的结构，优选为超薄壁钛内衬高强碳纤维缠绕复合材料的气瓶，其中，内衬优选采用TA1纯钛，内衬基础壁厚优选为0.8mm，复合层优选采用T800S碳纤维，采用湿法缠绕工艺的环向和螺旋交替缠绕线型。
进一步的，复合气瓶6密封端上封头62凸起圆柱与桁架式承力结构7支撑板72连接。复合气瓶6密封端上封头62凸起圆柱与桁架式承力结构7的支撑板72的X、Y两个方向进行径向约束，使复合气瓶6的上封头62能够稳定的固定在桁架式承力结构7支撑板72上。
进一步的，底座安装区4与桁架式承力结构7的对接环71连接。底座安装区4通过螺栓与桁架式承力结构7的对接环71进行固定连接，使复合气瓶6的下封头能够稳定的固定在桁架式承力结构7的对接环71上，从而实现复合气瓶6与卫星新型桁架式承力结构7的固定装配连接。
进一步的，复合气瓶6的外径≤φ800mm，长度≤2500mm，储存推进剂重量≤500kg。在本申请实施例中，复合气瓶6的外径优选为344mm，长度优选为1700mm，储存推进剂重量优选为180kg。
本申请实施例还提供了一种制作缠绕式法兰底座的方法，包括如下步骤：步骤1：采用TC4钛合金板材夹板热冲压完成缠绕式法兰底座的封头带筒段毛坯成型；步骤2：采用车加工工艺完成缠绕式法兰底座内外表面的机械加工；步骤3：采用数控铣工艺完成缠绕式法兰底座筒段缠绕区1应力释放槽11的加工；步骤4：采用数控铣工艺完成缠绕式法兰底座封头渐变壁厚区3减重孔31的加工；步骤5：采用钻孔攻丝工艺完成缠绕式法兰底座安装区4的螺纹孔加工。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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