高稳定性框架预埋结构件及高稳定性支撑框架的制作方法

本实用新型属于空间光学遥感技术领域，涉及一种高稳定性框架预埋结构件及高稳定性支撑框架。

背景技术：

空间光学遥感器主支撑结构通常要求具有足够高的动静态刚度，良好的热尺寸稳定性等。桁架结构因其比刚度高、组装灵活等优良的空间性能被广泛应用，其构型一般采用支撑框架与支撑桁架杆相结合的形式。传统的支撑框架采用钛合金材料制作，钛合金刚度较高，力学性能稳定，应用在小型光学遥感器上优势明显；但随着光学遥感器逐渐向长焦距、大尺寸方向发展，钛合金质量大、热稳定性较差的缺陷也逐步凸显出来。

近年来，在大型离轴式光学系统中，数米体量主支撑系统的轴向(垂直框架上端面/下端面方向)尺寸稳定性要求甚至达到了微米量级。因此越来越多地使用碳纤维复合材料替代钛合金，作为支撑框架的主要材料，碳纤维复合材料质轻、线膨胀系数小，在实际应用中体现出较大的优势。同时，也存在如下方面的不足：1)采用碳纤维复合材料一体制作支撑框架时，因铺层角度复杂，难以保证支撑框架高的轴向尺寸稳定性，这对小型遥感器主支撑结构影响较小，但对于数米量级的桁架系统来说，其影响不能忽视；2)为满足高刚度使用需求，往往需要在碳纤维支撑框架中设置复杂的加强筋，增加了制造的复杂性；3)碳纤维复合材料成型的结构件尺寸公差较大，而对碳纤维表面进行机械加工，又会破坏纤维丝的连续性，因而较难保证支撑框架的轴向尺寸定位精度。

技术实现要素：

本实用新型提供一种高稳定性框架预埋结构及高稳定性支撑框架，目的是解决传统碳纤维支撑框架稳定性较差，支撑结构局部刚度不足等问题。

本实用新型的技术方案是提供一种高稳定性框架预埋结构件，其特殊之处在于：包括上连接座、套筒及下连接座；上述上连接座及下连接座的材料均为钛合金，上述套筒的材料为碳纤维材料；上述上连接座与下连接座分别固定在套筒的两端；上述上连接座及下连接座上开设注胶孔。

进一步地，上述上连接座与下连接座的结构相同，包括框架连接法兰和嵌套端，嵌套端与套筒套接，并粘接在套筒上；上述注胶孔位于框架连接法兰上。

进一步地，为尽可能减小该框架预埋结构件的重量，对上连接座和下连接座进行了减重设计，具体为在框架连接法兰上开设减重孔。

进一步地，上述上连接座与下连接座均采用tc4加工而成；上述套筒采用m55j碳纤维复合材料缠绕而成，套筒的横截面为圆角矩形。

本实用新型还提供一种高稳定性支撑框架，包括碳纤维复合材料的框架本体，其特殊之处在于：还包括上述的框架预埋结构件；上述框架本体上开设贯穿顶部与底部的预埋孔，上述套筒穿过预埋孔位于框架本体的空腔内；上述上连接座与下连接座搭接在框架本体的顶部与底部，通过向注胶孔内注胶形成胶层，使框架预埋结构件完全固定在支撑框架上。

进一步地，上述上连接座与下连接座的结构相同，包括框架连接法兰和嵌套端，嵌套端与套筒套接，并粘接在套筒上；上述注胶孔位于框架连接法兰上；上述套筒与嵌套端穿过预埋孔位于框架本体的空腔内，上述框架连接法兰搭接在框架本体的顶部与底部。

进一步地，上述框架连接法兰上开设减重孔。

进一步地，上述上连接座与下连接座均采用tc4加工而成；上述套筒采用m55j碳纤维复合材料缠绕而成，套筒的横截面为圆角矩形；通过碳纤维复合材料的铺层设计，将套筒线膨胀系数设计为负数，其值根据上连接座轴向长度、下连接座轴向长度、套筒长度和钛合金线膨胀系数计算确定，最终使该框架预埋结构件的轴向平均线膨胀系数趋近于零或为零。

套筒(3)的线膨胀系数α套筒通过下式计算：

其中l上为上连接座的轴向长度，l下为下连接座的轴向长度，αtc4为钛合金线膨胀系数，l套筒为套筒的长度。

本实用新型还公开一种高稳定性支撑框架的安装方法，包括以下步骤：

步骤一：将上连接座的嵌套端套接在套筒的一端，并通过粘结剂粘接，完成固化；

步骤二：将步骤一完成的组件放置到支撑框架的相应预埋孔位，经注胶孔向上连接座的框架连接法兰与支撑框架顶部的间隙内注胶，完成固化；

步骤三：翻转支撑框架，在下连接座的嵌套端侧面涂抹粘接剂，套接至套筒的另一端，常温下完成固化；

步骤四：经注胶孔向下连接座的框架连接法兰与支撑框架底部的间隙内注胶，固化。

进一步地，为了保证胶层厚度均匀，步骤二和步骤四中，注胶前在上连接座的框架连接法兰和下连接座的框架连接法兰与支撑框架间放置设定直径的细线或设定厚度的金属薄片。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型将钛合金上连接座、钛合金下连接座及碳纤套筒粘接为一体，形成框架预埋结构件；通过铺层设计调谐碳纤套筒的线膨胀系数，使该预埋结构件的轴向平均线膨胀系数趋近于零，从而提高预埋结构件的轴向尺寸稳定性；该预埋件结合了两种高刚度结构件，可实现预埋结构的高刚度设计，避免了支撑框架中设置复杂的加强筋。因此，通过在碳纤维支撑框中镶嵌框架预埋结构件，有利于提高支撑框架及整体桁架结构的刚度及稳定性。

2、本实用新型框架预埋结构件端面具有良好的机械加工性能，保证了支撑框架轴向尺寸定位的准确性。

附图说明

图1为高稳定性框架预埋结构件轴侧图；

图2为高稳定性框架预埋结构件剖视图；

图3为上连接座和下连接座的结构示意图；

图4为框架预埋结构件与支撑框架装配结构剖视图；

图5为框架预埋结构件与支撑框架装配结构轴侧图。

图中附图标记为：1-上连接座，2-下连接座，3-套筒，4-粘接剂，5-支撑框架，6-胶层，10-框架预埋结构件，101-框架连接法兰，102-嵌套端，103-注胶孔。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步地描述。

本实用新型的核心思想是：通过碳纤维复合材料铺层设计调谐碳纤维材料套筒的线膨胀系数，使由碳纤维材料的套筒与钛合金连接座粘接而成的框架预埋结构件具备优良的尺寸稳定性。套筒与连接座均为高刚度单体结构件，保证了预埋结构的高刚度设计。该框架预埋结构件整体镶嵌至碳纤维支撑框架，有利于提高支撑框架及整体桁架结构的刚度及稳定性。同时，框架预埋结构件端面具有良好的机械加工性能，能保证支撑框架轴向尺寸定位的准确性。

以下结合附图和具体实施例进行进一步的详细说明。

如图1及图2，本实施例高稳定性框架预埋结构件，包括钛合金材料的上连接座1、碳纤材料的套筒3和钛合金材料的下连接座2。其中上连接座1与下连接座2均采用tc4加工而成；套筒3采用m55j碳纤维复合材料缠绕而成，其横截面为圆角矩形。上连接座1和下连接座2通过粘接剂4粘接在套筒3的两端，形成框架预埋结构件10。上连接座1和下连接座2的结构如图3所示，包括框架连接法兰101、嵌套端102和注胶孔103，嵌套端102与碳纤套筒3套接并通过粘接剂4粘接；从图中可以看出，本实施例中嵌套端102沿其外壁周向开设环形缺口，套筒3的两端与该缺口配合并粘接。注胶孔103开设在框架连接法兰101上，并且为尽可能减小该框架预埋结构件10的重量，对上连接座1和下连接座2进行了减重设计。

如图4及图5，为将上述框架预埋结构件装配至支撑框架的结构示意图，框架本体上开设贯穿顶部与底部的预埋孔，套筒3与嵌套端102穿过预埋孔位于框架本体的空腔内；框架连接法兰101搭接在框架本体的顶部与底部。通过向注胶孔103内注胶，在框架连接法兰101与框架本体的顶部与底部形成胶层，使框架预埋结构件10完全固定在支撑框架上。通过碳纤维复合材料的铺层设计，将套筒3线膨胀系数α套筒设计为负数，其值根据上连接座轴向长度l上、下连接座轴向长度l下、套筒长度l套筒和钛合金线膨胀系数αtc4计算确定，最终使该框架预埋结构件的轴向平均线膨胀系数趋近于零或为零。

通过如下步骤将框架预埋结构件10镶嵌至碳纤维支撑框架5内：

步骤一：将钛合金上连接座1与碳维套筒2粘接，完成固化；

步骤二：将步骤一完成的组件放置到支撑框架5的相应预埋孔位，在上连接座的框架连接法兰与支撑框架顶部间放置一定直径的细线或一定厚度的金属薄片，经注胶孔103向钛合金上连接座1与支撑框架5的间隙内注胶，完成固化；

步骤三：翻转支撑框5，在钛合金下连接座2的嵌套端102侧面涂抹粘接剂4，套接至碳纤套筒3的另一侧，常温下完成固化；

步骤四：在下连接座的框架连接法兰与支撑框架底部间放置一定直径的细线或一定厚度的金属薄片，经注胶孔103向钛合金下连接座2与支撑框架的间隙内注胶，固化，完成框架预埋结构件10的镶嵌与安装。

以上所述为本实用新型的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，还可以进行若干修饰和改进，这些改进和修饰同属本实用新型的保护范围。