[發明專利]一種輕質隔振金屬復合飛輪支架及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202111476628.5
• 申請日: 2021-12-02
• 公開（公告）號: CN114060466B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 劉雪峰;李昂;汪鑫;萬祥睿;田少杰
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: F16F15/315
• 分類號: F16F15/315;B22F10/38;B22F7/08;B22F10/20;B33Y10/00;B33Y70/00;B33Y80/00
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 岳野

本發明公開了一種輕質隔振金屬復合飛輪支架及其制備方法和應用，屬于金屬材料結構設計及加工技術領域。該金屬復合飛輪支架包括，具有輕質和高阻尼性能的鎂合金底板，具有緩沖振動功能的鈦合金點陣夾芯飛輪安裝面，具有高剛度的鈦合金支撐梁；通過金屬塊體加工和金屬3D打印相結合的方法來制備輕質隔振金屬復合飛輪支架。本發明的輕質隔振金屬復合飛輪支架及制備方法具有重量小、一階振動頻率高、安裝面放大倍數小、適用性廣以及性能優異等優點。

技術領域

本發明屬于金屬材料結構設計及加工技術領域，具體涉及一種輕質隔振金屬復合飛輪支架及其制備方法和應用。

技術背景

飛輪組件是穩定衛星等航天器姿態的重要部件，其中飛輪支架是飛輪組件的核心部件，其重量和隔振性能對航天器的有效載荷性能指標具有重要影響。通過材料設計和結構設計在降低飛輪支架重量的前提下，提升飛輪支架的一階振動頻率，降低飛輪安裝面放大倍數是飛輪支架設計的主要方法。

現有飛輪支架的材料多為單一鎂合金、單一鋁合金或連續纖維復合材料，具有重量輕的優點。但單一鎂合金、單一鋁合金和連續纖維復合材料飛輪支架的剛度均較低，不利于飛輪支架一階振動頻率的提升和飛輪安裝面放大倍數的降低。

飛輪支架的結構設計主要包括拓撲優化、局部厚度設計和局部加強筋設計等，以上方法能夠在一定程度上減少飛輪支架的重量或增加飛輪支架的隔振性能，但以上結構設計方法并沒有充分結合飛輪支架不同組成部分的受力和振動特點，無法達到進一步降低飛輪支架重量，提升飛輪支架一階振動頻率和降低飛輪安裝面放大倍數的目的。

另外，現有衛星飛輪支架通常是采用鑄造整體成形，存在適用性差以及性能難以滿足使用要求等問題。

因此，開發重量小、一階振動頻率高、安裝面放大倍數小、適用性廣以及性能優異的飛輪支架及其制備方法和應用，具有十分重要的意義。

發明內容

針對傳統飛輪支架及制備方法存在的重量較大、一階振動頻率較低、安裝面放大倍數較大、適用性較差以及性能難以滿足使用要求等不足，本發明的目的是提供一種輕質隔振金屬復合飛輪支架及其制備方法和應用。本發明充分利用飛輪支架底板受力較小且對阻尼性能要求較高、飛輪安裝面對緩沖振動要求較高以及飛輪支架支撐梁對剛度要求較高的特點，采用密度小且阻尼性能好的鎂合金作為飛輪支架底板的材料，并對飛輪支架的底板采用大面積鏤空和凹槽減重設計，使飛輪支架的底板在輕質的同時具備高的阻尼性能；采用比彈性模量較高的鈦合金作為飛輪安裝面的材料，對飛輪安裝面采用點陣夾芯結構設計，使飛輪安裝面在輕質的同時具備緩沖振動和吸能的功能；采用比彈性模量較高的鈦合金作為飛輪支架支撐梁的材料，對支撐梁采用內部中空減重結構設計，并在飛輪支架振動傳遞和集中的關鍵部位增加米字型加強梁和側翼加強肋板使飛輪支架的剛度進一步提升，并使飛輪支架的振動幾乎全部轉移至米字型加強梁區域，使飛輪支架的支撐梁在輕質的同時具備高的剛度和轉移振動的功能，從而使飛輪支架同時具備重量小、一階振動頻率高和飛輪安裝面放大倍數小的特點。預先機加工出形狀簡單的鎂合金底板，采用金屬3D打印技術在鎂合金底板的表面打印出鈦合金支撐梁和飛輪安裝面來制備輕質隔振金屬復合飛輪支架，并通過低能量高速預掃描的方法提高鈦合金支撐梁和飛輪安裝面與鎂合金底板的結合質量，解決傳統飛輪支架制備過程中存在的適用性差以及性能難以滿足使用要求等問題。

根據本發明的第一方面，提供一種輕質隔振金屬復合飛輪支架，所述輕質隔振金屬復合飛輪支架包括底板、飛輪安裝面和支撐梁。所述底板的材料為鎂合金，其中心區域為完全鏤空結構，其邊部具有4～6個安裝固定孔和2～8個減重凹槽；所述飛輪安裝面的材料為鈦合金，位于所述底板上方，其底部與所述底板的上表面相連，所述飛輪安裝面為點陣夾芯結構，包括外壁板、內壁板和點陣層，使所述飛輪安裝面具備緩沖振動和吸能的功能；所述支撐梁的材料為鈦合金，所述支撐梁位于所述底板和所述飛輪安裝面之間，其兩端分別與所述底板和所述飛輪安裝面相連，所述支撐梁包括內部為中空減重結構的普通梁、位于所述普通梁兩側的側翼加強肋板以及連接所述底板邊部和所述飛輪安裝面頂部的米字型加強梁，用于增加所述輕質隔振金屬復合飛輪支架的剛度并轉移所述飛輪安裝面的振動。