[发明专利]一种耐高温高比刚度的复合材料与金属组合板壳结构

说明书

本发明涉及一种耐高温高比刚度的复合材料与金属组合板壳结构，属于发动机技术领域。本发明所提供的陶瓷基复合材料和金属的板壳组合结构形式，采用陶瓷基复合材料在高温区抵抗热载荷，金属材料在隔热后的低温区保持高刚度性能，同时内外壁与中间框板结构形成盒式的高刚度结构形式。相比于现有技术，本发明整合了陶瓷基复合材料耐高温和金属材料在低温区高刚度的优点，既能够承受超高温度载荷，又具有高比刚度，且加工制造成本低，装配简单，非常适用于承受高温、高压又具有一定结构重量要求的发动机板壳部件设计。

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种耐高温高比刚度的复合材料与金属组合板壳结构。

背景技术

发动机燃烧室和尾喷管结构部件承受着严酷的热环境载荷，结构热防护问题十分重要。现有的结构热防护方式主要分为两种，一种是采用液体或气体冷却剂的主动冷却方式，另一种是利用材料本身耐热特性的被动热防护方式。主动冷却热防护结构一般采用金属材料加工制造而成，结构上一般包括内外壁面和冷却剂流动的通道，通过冷却剂将热量带走达到降低结构壁面温度保护结构完整性的目的。陶瓷基复合材料作为一种典型的被动热防护材料，其耐高温、高比强的特点使其在发动机燃烧室和尾喷管中得到越来越多的应用，陶瓷基复合材料构件与金属冷却构件相比，重量更轻，而且不需要冷却剂。

如上所述的主动冷却热防护结构在实际应用中存在两个方面的制约因素，一方面主动冷却热防护结构通常采用金属材料，而耐高温的金属材料密度大，结构重量大降低了发动机推重比；另一方面是当温度载荷更高时，将温度载荷降至金属结构许用温度所需的冷却剂流量大大增加，与发动机冷却剂储量或流量的限制相矛盾。

陶瓷基复合材料具有密度小、耐高温、高比强的优点，但其弹性模量小，达到一定的刚度要求所需的结构尺寸较大，另一个缺点是制备成本高，在部件结构复杂时尤为突出。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种用于处于严酷热环境中的发动机部件，特别是板壳结构部件设计上的结构热防护的基本组元，并使其具有耐高温、比刚度大、成本低、重量轻等优点。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种耐高温高比刚度的复合材料与金属组合板壳结构，包括内壁板1、中间框板2、外壁板框3、框格盖板4和隔热填充物5；外壁板框3和多个框格盖板4连接组成外壁板总成；隔热填充物5填满中间框板2的框格空间；

所述中间框板2整体插入内壁板1的加强肋12上对应的槽道13、以及外壁板框3的加强肋上对应的槽道中，并在中间框板2侧面的上下连接孔20位置连接固定，框格盖板4的厚度与外壁板框3的框格窗口下陷深度一致，框格盖板4安装进框格窗口内之后，在框格盖板4的外壁连接孔40位置通过铆钉连接框格盖板4与外壁板框3以封口，安装后外壁板框3外表面与框格盖板4外表面平齐。

优选地，所述内壁板1包括薄壁11、加强肋12、槽道13以及侧壁连接孔10；薄壁11作为内壁板1的底板，加强肋12生长在薄壁11上，为纵横垂直布置的井字结构，且与中间框板2的中间板22位置对应，加强肋12与薄壁11形成为一体，加强肋12的宽高比满足所选复合材料的要求，每条加强肋12上正中均开有槽道13，槽深满足内壁板1与中间框板2的连接要求，槽宽比中间框板2厚度大，呈间隙配合，槽宽不超过中间框板2厚度的1.1倍，每条加强肋12侧面均布多个侧壁连接孔10，侧壁连接孔10与中间框板2的连接孔20位置一一对应，且连接固定；内壁板1的材料为碳纤维增韧的陶瓷基复合材料。

优选地，所述中间框板2包括边缘板21、中间板22以及连接孔20；中间板22为纵横垂直布置的井字结构，边缘板21位于中间板22的外围，连接孔20均布于中间板22上；边缘板21侧面局部增厚以在装配时与内壁板1、外壁板框3侧面保持一致；中间框板2的材料为复合材料或金属材料。