一种高效兼顾承载与隔热需求的连接机构

1.本发明属于结构设计领域，尤其涉及一种高效兼顾承载需求与隔热需求的连接机构。


背景技术：

2.航空航天技术尤其是高超音速飞行器的快速发展对飞行器结构的承载能力和隔热能力均提出了很高的需求，承载隔热一体化结构因同时具有承载和隔热的功能成为高超音速飞行器的绝佳选择。研究表明，由金属材料和隔热材料经设计组成的承载隔热一体化可同时具有承载和隔热的功能。通过合理布置金属材料和隔热材料同时提高结构的承载能力和隔热能力。
3.目前，已有多种承载隔热一体化构型在实际工程中得到应用，这些构型一般由金属材料和隔热材料组成。然而，由于隔热材料不具有承载能力，因此用于承载的金属材料和用于热防护的隔热材料往往是分置的。
4.在现有的承载隔热一体化构型中，采用的多是金属材料与隔热材料分置的波纹夹芯板结构，例如文献“performance improvement of integrated thermal protection system using shaped-stabilized composite phase change material”采用了将隔热石棉填满金属夹芯板空隙的方式。在实际应用中发现金属材料和用于热防护的隔热材料分置的设计方式所得结构极易出现热短路现象，原因是：由于所用隔热材料不具有承载能力且结构需要承受较大的外部载荷，金属材料连接了外部热源与内部结构，外部载荷通过金属部件传递到内部结构，而相较于隔热材料，金属材料具有很高的导热系数，导致热量也很容易沿着力的传递路径传递，由于所用隔热材料不具有承载能力，因此力的传递路径上没有隔热材料，无法阻止热量传递到结构内部，导致热短路现象。
5.但是，并非所有的隔热材料都不具备承载能力，某些隔热材料对某种特定形式的载荷具有很强的承载能力，比如陶瓷材料具有很好的热防护能力的同时也具有很强的承压能力。若能将金属部件的某一部分进行结构设计，能够将通过该部分的任意形式的载荷均变为压力载荷，然后将隔热陶瓷材料制成的垫片填充于受压区就能够在力的传递路径上布置隔热材料，这样既能阻断热量沿金属部件的传递，又能在一定程度上提高结构的承载能力。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供一种高效兼顾承载与隔热需求的连接机构，通过将金属部件的某一部位设计为可将任意形式的载荷均变为压力的结构并在承压区域填充隔热效果好、承压能力强的隔热陶瓷的方法阻断热量的传递路径，从而防止热短路现象的发生，达到热防护的目的；另外，由于陶瓷材料具有很强的抗压刚度，结构的承载能力也将得到一定程度的提升。本发明采用的技术方案如下：
7.一种高效兼顾承载与隔热需求的连接机构，包括金属接头和隔热垫片3和两个矩
形金属杆a；
8.两个矩形金属杆a间设有金属接头，金属接头与矩形金属杆a的间隙中填充隔热垫片3；金属接头为榫卯结构，主要由十字型榫结构1与正方体框卯结构2组成；十字型榫结构1由连杆4和十字型榫头5组成，连杆4自由端与一矩形金属杆a连接；正方体框卯结构2由正方形金属环6与四个相同的金属杆7组成，金属杆7自由端与另一矩形金属杆a连接；正方形金属环6、金属杆7和矩形金属杆a构成一正方形孔洞8，正方形孔洞8的体积大于十字型榫结构1的体积，二者拼合后留有空隙，且其正方形孔洞8的边长大于十字型榫头5的厚度；隔热垫片3包括上部垫片9、中部连接垫片10和底部垫片11，均由隔热陶瓷制成，填充于金属接头的连接空隙，使得金属接头的十字型榫结构1与正方体框卯结构2之间不互相接触；金属接头与隔热垫片3的连接方式为无摩擦接触。
9.所述连杆4横截面为正方形，其截面小于矩形金属杆a截面，二者截面中心重合；十字型榫头5截面为一个正方形与四个矩形组成，矩形与正方形共边；十字型榫头5宽度同矩形金属杆a边长相同；其中正方形与连杆4横截面完全重合，十字型榫头5的厚度与矩形长边相同。
10.所述金属杆7横截面为正方形；正方形金属环6的外环边长与矩形金属杆a边长相同，内环边长与中部连接垫片10的外径边长相同，正方形金属环6的厚度、环宽与金属杆7截面边长相同。
11.所述上部垫片9和中部连接垫片10均呈正方形环；上部垫片9外径边长与矩形金属杆a边长相同，其内径边长与连杆4长度相同，其厚度为十字型榫结构1中矩形金属杆a与正方体框卯结构2的间距；中部连接垫片10厚度与外径边长分别同正方形金属环6的厚度与外环边长相同，其内径边长与连杆4边长相同；所述底部垫片11包括一个正方体框和四个相同的正方形环；正方体框外边长与正方形孔洞8的边长相同；正方体框顶部开有一孔洞，孔洞呈正方形，孔洞边长与连杆4边长相同；正方体框的四侧面中心分别开有相同的正方形孔，正方形孔边长与十字型榫头5的厚度相同；底部垫片11的正方形环的外径边长与正方形孔洞8边长相同，内径边长与十字型榫头2厚度相同，厚度与金属杆7横截面边长相同。
12.所述十字型榫结构1与正方体框卯结构2之间的相互作用形式均为挤压；所述隔热垫片3与金属接头之间无任何粘接处理。
13.连接机构具体拼接时，金属接头十字型榫结构1与正方体框卯结构2相套后，二者另一端分别拼接矩形金属杆a。
14.所述部件通过对金属结构的某一部分进行结构设计，将通过该部分的任意形式的载荷均变为压力载荷，然后将隔热陶瓷材料制成的垫片填充于受压区就能够在力的传递路径上布置具有很强抗压刚度的隔热材料；此方法实现了将隔热材料布置于热量传递路径上的目的，这样既能够阻断热量沿金属部件的传递，又能在一定程度上提高结构的承载能力。
15.本发明的有益效果：
16.1)本发明通过将隔热材料布置于热量的传输路径有效阻断了热量沿力的传递路径向内部结构的传递，消除了热短路现象。
17.2)本发明隔热材料与金属材料的布置方式是将隔热材料布置于金属材料接头的空隙区域，用少量的材料即取得良好的热防护效果，与传统金属材料和隔热材料分置的方法相比大大减少了隔热材料的用量，使得结构的重量大大下降。
18.3)本发明通过对金属结构的某一部分进行结构设计，将通过该部分的任意形式的载荷均变为压力载荷，然后将隔热陶瓷材料制成的垫片填充于受压区，在力的传递路径上布置具有很强抗压刚度的隔热材料的方法实现了将隔热材料布置于热量传递路径上的目的。这种设计将承受压力的部分金属部件替换为了具有很强抗压刚度的陶瓷材料，可在一定程度上提高结构的承载能力。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明的高效兼顾承载与隔热需求的连接机构的结构示意图。
21.图2(a)为本发明中矩形金属杆的示意图；
22.图2(b)为本发明的金属接头榫接头示意图；
23.图2(c)为本发明的正方体框卯结构示意图；
24.图2(d)为本发明的隔热陶瓷垫片构型图；
25.图3为本发明的金属接头榫接头结构构型图；
26.图4为本发明的矩形金属杆与连杆的关系示意图；
27.图5(a)为本发明十字型榫结构示意图；
28.图5(b)为本发明十字型榫结构的立体图；
29.图6(a)为本发明金属接头卯接头结构立体图；
30.图6(b)为本发明正方体框卯结构俯视图；
31.图6(c)为本发明正方体框卯结构形成的正方形孔洞示意图；
32.图7为本发明的金属榫卯连接接头拼接方式图；
33.图8(a)为本发明的隔热陶瓷垫片结构构型图；
34.图8(b)为本发明的上部垫片俯视图；
35.图8(c)为本发明的隔热陶瓷垫片正视图；
36.图8(d)为本发明的本发明的金属榫卯连接接头间隙示意图；
37.图8(e)为本发明正方形环的示意图；
38.图8(f)为本发明底部垫片正方体框示意图
39.图8(g)为本发明底部垫片四个正方形环拼装示意图；
40.图9(a)为本发明的金属榫接头和隔热陶瓷垫片的组合方式图；
41.图9(b)为本发明的金属卯接头和隔热陶瓷垫片的组合方式图。
42.图中标识：1-十字型榫结构；2-正方体框卯结构；3-隔热垫片；a-矩形金属杆；4-连杆；5-十字型榫头；6-正方形金属环；7-金属杆；8-正方形孔洞；9-上部垫片；10-中部连接垫片；11-底部垫片。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
44.如图1-图2所示，一种高效兼顾承载与隔热需求的连接机构，其包括金属接头、隔热垫片3和两个矩形金属杆a；
45.所述榫卯结构主要由十字型榫结构1与正方体框卯结构2组成，所述十字型榫结构由连杆4和十字型榫头5组成，连杆4横截面为正方形，其截面小于矩形金属杆a截面。连杆4和十字型榫头5截面中心重合，十字型榫头1截面由一个正方形与四个矩形组成，其中正方形与连杆4横截面完全重合，四个矩形的长边与正方形的边重合，矩形短边长度等于正方形的边到金属杆的距离，所述十字型榫头5的厚度与正方形的边长相同；
46.所述正方体框卯结构2由正方形金属环6与四根完全相同的金属杆7组成，正方形金属环6的外环边长与矩形金属杆a截面的边长相同，正方形金属环6的内环边长与隔热垫片3的中部连接垫片10的外径边长相同；金属杆7的横截面为正方形，横截面的边长与中部垫片10的正方形环的厚度相同；正方形金属环6、金属杆7和矩形金属杆a构成了正方形孔洞8，正方形孔洞8的边大于十字型榫头5的厚度；
47.金属接头榫结构与金属接头卯结构的拼接方式如图7所示进行无摩擦接触；
48.所述隔热垫片3由上部垫片9、中部连接垫片10和底部垫片11组成；所述上部垫片9为一正方形环，其外径边长与矩形金属杆a截面边长相同，其内径边长连杆4截面边长相同，其厚度为十字型榫结构1中的矩形金属杆a与正方体框卯结构2的间距。
49.所述中部连接垫片10为一正方形环，其厚度与外径边长分别同正方形金属环6的厚度以及外环边长相同，中部连接垫片10的内径边长与连杆4截面边长相同。
50.所述底部垫片11由一正方体框和四个完全相同的正方形环组成，正方体框外边长与正方形孔洞8的边长相同，正方体框顶部开有一孔洞，呈正方形，孔洞边长与连杆4截面的边长相同；正方体框四周开有四个完全相同且中心与十字型榫头5中心重合的正方形孔，正方形孔边长与十字型榫头5的厚度相同；正方形环外径边长与正方形孔的边长相同，内径边长与十字型榫头5的厚度相同，其厚度与金属杆7的横截面边长相同；
51.所述连接结构组合后，隔热垫片3完全包络十字型榫结构1和正方体框卯结构2，其组合效果如图8(a)所示，使得十字型榫结构1和正方体框卯结构2不接触，达到热防护的目的。
52.所述隔热垫片3由承载能力强且隔热效果好的隔热陶瓷制成，填充于金属接头的连接空隙，使得金属接头之间不互相接触。
53.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。