[发明专利]一种高拉伸载荷复合材料管件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高拉伸载荷复合材料管件一种高拉伸载荷复合材料管件及其制备方法，属于复合材料成型技术领域。

背景技术

运载火箭芯二级箱间段悬挂装置，承受的拉伸载荷较大，另外还有弯、剪、压等载荷，力学环境复杂。为了实现结构减重，芯二级箱间段悬挂装置采用杆系结构形式，并采用复合材料管子结构件替代金属管子结构件。单管拉伸载荷需要达到40t左右，轻质大载荷复合材料管子组件在国内运载型号尚未应用。

复合材料杆系结构在国外已有火箭的结构中已得到应用，如日本的H-IIA火箭和美国国家宇航局的德尔它4火箭的二级箱间段。但目前国内运载火箭级间杆系、发动机机架仍采用30CrMnSi以及TC-4金属材料杆系。其中，30CrMNSi金属材料杆件重量较大，与新一代运载火箭结构轻量化的研制方向相悖，而轻质薄壁TC-4杆件整体成型工艺技术难度较大，制作成本远高于复合材料成型构件。国内传统的复合材料管子组件主要承受压缩载荷，复合材料与金属连接形式多采用胶螺形式，可以承受较大的压缩载荷，但无法满足高拉伸载荷的承力要求。为实现运载器结构减重目标，紧跟国外技术发展，研制具有自主知识产权的轻质高强复合材料杆系结构势在必行。

发明内容

本发明的目的是为了芯二级箱间段复合材料杆件抗拉伸能力差的问题，提出一种高拉伸载荷复合材料管件及其制备方法，该复合材料管件尤其适于高拉伸载荷工况的使用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种高拉伸载荷复合材料管件，该管件包括预埋件和复合材料层；复合材料层包覆在预埋件的外围，该管件的两端各有1个预埋件；每个预埋件相对于管件的中心线是上下对称的，而两个预埋件是关于管件的中轴线是左右对称的；预埋件为中空锥角结构，预埋件的锥角结构为2个以上，相邻的两个锥角之间形成的区域为凹槽；每个锥角由1条上升线和1条下降线构成，管件最外侧的锥角的上升线与中心线的夹角小于内侧锥角上升线与中心线的夹角，且最外侧锥角尖点处直径小于内侧锥角尖点处直径；管件最外侧的锥角即管件最左端的一个锥角或管件最右端的一个锥角；

本发明的一种高拉伸载荷复合材料管件的制备方法，步骤为：根据需要选择一根棒状的芯膜，然后在芯膜的两端制作设定形状的预埋件，制作完成后在预埋件的周围及管件的其他部位缠绕上复合材料层，最后再将棒状的芯膜抽出，即得到高拉伸载荷复合材料管件。

有益效果

(1)通过复合材料管件接头形式的设计优化以铺层结构工艺优化，该方法制备的复合材料管件设计拉伸载荷40t、实际拉伸破坏载荷48t，并应用于CZ-5芯二级杆系结构箱间段的研制；

(2)通过对复合材料管件的金属接头形式优化，有效减弱了大拉伸载荷复合材料构件端头部位因局部应力集中先期破坏的趋势，提高了复合材料拉杆的拉伸载荷，复合材料管件拉伸载荷提升10t以上，提高幅度达25％。

(3)通过对管件铺层结构的工艺优化，突破了复合材料管子小角度缠绕成型工艺技术，实现了管件端头的铺层结构的局部优化，解决了端头部位小角度缠绕纤维层局部架桥的技术难点。

芯二级箱间段复合材料杆件以承受拉伸载荷为主，明显与传统管件以压缩载荷为主的承载方式不同，故现有胶螺连接形式、成型技术方式等技术难以满足芯二级箱间段管子的载荷要求。针对复合材料高拉伸载荷的使用工况，设计并研制适于高拉伸载荷工况的复合材料管件，解决了轻质大载荷复合材料管子组件的成型技术问题。

针对复合材料管子轻质大拉伸载荷的技术难点，通过对复合材料管件的金属接头形式优化，有效减弱了大拉伸载荷复合材料构件端头部位因局部应力集中先期破坏的趋势，通过对管件铺层结构的工艺优化，实现了管件端头的铺层结构的局部优化，设计并成功研制了适于高拉伸载荷工况的复合材料管件。

附图说明

图1为实施例1中复合材料管件的结构示意图；

图2为图1的左侧部分的放大图；

图3为实施例1中预埋件的结构示意图；

图4为实施例1中预埋件的详细尺寸图；

图5为实施例1中复合材料管件的整体尺寸示意图；

图6为实施例2中复合材料管件的结构示意图；

图7为图6的左侧部分的放大图。

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。

实施例1

如图1和图2所示，一种高拉伸载荷复合材料管件，该管件包括预埋件1和复合材料层2；复合材料层2包覆在预埋件1的外围，