CN103678786A - 一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法，可用于结构强度快速分析，也可以用于快速建模，属于结构强度分析技术领域。该方法将蒙皮桁条结构的强度分析过程标准化，积累材料数据和结构参数数据，利用分析标准和数据库的效率优势，提高工作效率和分析质量。

Description

一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法

技术领域

本发明涉及一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法，可用于结构强度快速分析，也可以用于快速建模，属于结构强度分析技术领域。

背景技术

蒙皮桁条结构具有成本低、工艺简单、承载能力高等特点，有利于结构轻量化，是国内外运载火箭普遍采用的结构形式。目前蒙皮桁条结构的强度分析有以下两种方法：（1）采用Pro/E等CAD工具建立几何模型，然后通过中间格式文件导入到CAE软件，然后进行赋属性、划网格、加载荷及边界条件、选择求解算法、提交运算等常规有限元分析工作。（2）直接采用CAE软件建立几何模型，然后进行常规有限元分析工作。这两种方法都是CAE工具的初级应用，无数据和经验积累，工作高度重复、极度依赖于分析人员经验、容易出错。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法，该方法将蒙皮桁条结构的强度分析过程标准化，积累材料数据和结构参数数据，利用分析标准和数据库的效率优势，提高工作效率和分析质量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法，步骤为：

1）对蒙皮建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为蒙皮的材料属性和蒙皮的几何尺寸；

所述的蒙皮的材料属性是指蒙皮材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和断后伸长率，并保存在数据库中；

所述的蒙皮的几何尺寸是指蒙皮的中面直径、高度和厚度，并保存在数据库中；

2）对桁条建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为桁条的材料属性和桁条的几何尺寸；

所述的桁条的材料属性是指桁条材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和断后伸长率，并保存在数据库中；

所述的桁条的几何尺寸是指桁条的截面尺寸，并保存在数据库中；

3）对环框建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为环框的材料属性和环框的几何尺寸；

所述的环框的材料属性是指环框材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和断后伸长率，并保存在数据库中；

所述的环框的几何尺寸是指环框的截面尺寸，并保存在数据库中；

4）将步骤1）中建立的蒙皮模型、步骤2）中建立的桁条模型和步骤3）中建立的环框模型进行装配，得到装配模型；

5）对步骤4）得到的装配模型进行开孔；

6）采用有限元工具对步骤5）得到的装配模型进行单元划分，得到单元模型，得到的单元模型为应力分析模型或稳定性分析模型；

进行单元划分时要求相邻桁条之间不少于5个单元以及相邻的环框之间不少于5个单元；以达到足以描述失稳波和结构变形模式的要求；

7）如果步骤6）得到的单元模型为应力分析模型，则采用完全积分单元；如果步骤6）得到的单元模型为稳定性分析模型，分两种情况，如果在稳定性分析模型的任意方向的单元数目大于4，则采用减缩积分单元，如果在稳定性分析模型的任意方向的单元数目小于等于4，则采用完全积分单元；

8）采用有限元工具在单元模型上施加边界条件和载荷，然后用有限元工具对单元模型进行应力分析或稳定性分析。

对步骤1）中建立的蒙皮模型、步骤2）中建立的桁条模型和步骤3）中建立的环框模型在数据库中可以进行数据积累，供后续分析调用。

有益效果

对蒙皮桁条结构所用材料和型材数据进行积累，建立数据库供后续分析调用，减少了重复性工作，提高工了作效率。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法，步骤为：

1）对蒙皮建立有限元模型，蒙皮采用2A12T4状态1mm厚铝板材，弹性模量为70GPa、泊松比为0.3、屈服应力为270MPa、极限强度为400MPa、断后伸长率为13%，保存在数据库中，标记为A1；

蒙皮的中面直径为1700mm、高度为2500mm、厚度为1mm，保存在数据库中，标记为B1；

2）对桁条建立有限元模型，桁条采用2A12T4状态铝型材，弹性模量为70GPa、泊松比为0.3、屈服应力为295MPa、极限强度为390MPa、断后伸长率为10%，保存在数据库中，标记为A2；

桁条的截面为“T型”，尺寸有两个规格：规格1，缘板宽度为30mm、厚度为2mm，腹板高度为25mm、厚度为3mm，保存在数据库中，标记为C1；规格2，缘板宽度为20mm、厚度为1.5mm，腹板高度为22mm、厚度为2mm，保存在数据库中，标记为C2；

3）对环框建立有限元模型，环框采用2A12O状态2mm厚铝板材，弹性模量为70GPa、泊松比为0.3、屈服应力为150MPa、极限强度为250MPa、断后伸长率为30%，保存在数据库中，标记为A3；

环框的截面为方框，长度为30mm、宽度为20mm、厚度为2mm，保存在数据库中，标记为D1；

4）将步骤1）中建立的蒙皮模型、步骤2）中建立的桁条模型和步骤3）中建立的环框模型进行装配，得到装配模型；装配模型共有84根桁条，其中截面为C1的桁条有12根，位于蒙皮内表面，从柱坐标环向0度开始等间距分布，每30度一根；其中截面为C2的桁条有72根，位于蒙皮外表面，从柱坐标环向2.5度开始等间距分布，每5度一根；装配模型共有2个环框，位于蒙皮内表面，截面为D1，1个环框距离蒙皮下端800mm，1个环框距离蒙皮下端2000mm。

5）对步骤4）得到的装配模型进行开孔，共有2个孔：1个为圆孔，半径为300mm，圆心在柱坐标中位于环向310度，轴向距离蒙皮下端400mm；另1个为矩形孔，环向宽度为500mm、轴向高度400mm，矩形中心在柱坐标中位于环向110度，轴向距离蒙皮下端1500mm。

6）采用有限元工具对步骤5）得到的装配模型进行单元划分，得到应力分析模型；相邻桁条之间的最少单元数为6个，相邻的环框之间的最少单元数为100个；

7）步骤6）得到的应力分析模型，采用完全积分单元；

8）采用有限元工具将模型的下端固定约束、上端设为刚性面，在刚性面中心施加轴向压力100kN，然后用有限元工具进行应力分析，得到应力分布，最大Mises应力为159MPa。

实施例2

一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法，步骤为：

1）对蒙皮建立有限元模型，蒙皮材料采用实施例1中A1，属性从数据库中调取；

蒙皮尺寸采用实施例1中B1，尺寸从数据库中调取；

2）对桁条建立有限元模型，桁条采用7A09T4状态铝型材，弹性模量为70GPa、泊松比为0.3、屈服应力为440MPa、极限强度为500MPa、断后伸长率为8%，保存在数据库中，标记为A4；

桁条的截面为“T型”，采用实施例1中C2，尺寸从数据库中调取；

3）对环框建立有限元模型，桁条材料采用实施例1中A3，属性从数据库中调取；

环框的截面为方框，采用实施例1中D1，尺寸从数据库中调取；

4）将步骤1）中建立的蒙皮模型、步骤2）中建立的桁条模型和步骤3）中建立的环框模型进行装配，得到装配模型；装配模型共有60根桁条，截面为C2，位于蒙皮外表面，从柱坐标环向0度开始等间距分布，每6度一根；装配模型共有1个环框，位于蒙皮内表面，截面为D1，距离蒙皮下端1200mm；

5）对步骤4）得到的装配模型进行开孔，共有1个椭圆孔，长轴沿环向、为300mm，短轴沿轴向、为150mm，椭圆中心在柱坐标中位于环向160度，轴向距离蒙皮下端600mm。

6）采用有限元工具对步骤5）得到的装配模型进行单元划分，得到稳定性分析模型；相邻桁条之间的最少单元数为10个，相邻的环框之间的最少单元数为240个；

7）步骤6）得到的稳定性分析模型，蒙皮采用减缩积分单元，桁条和环框采用完全积分单元；

8）采用有限元工具将模型的下端固定约束、上端设为刚性面，在刚性面中心施加轴向压力200kN，然后用有限元工具进行稳定性分析，得到承载能力为186kN，结构整体失稳。

Claims (1)

1.一种运载火箭蒙皮桁条结构的有限元分析方法，其特征在于步骤为：

1）对蒙皮建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为蒙皮的材料属性和蒙皮的几何尺寸；

所述的蒙皮的材料属性是指蒙皮材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和断后伸长率，并保存在数据库中；

所述的蒙皮的几何尺寸是指蒙皮的中面直径、高度和厚度，并保存在数据库中；

2）对桁条建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为桁条的材料属性和桁条的几何尺寸；

所述的桁条的材料属性是指桁条材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和断后伸长率，并保存在数据库中；

所述的桁条的几何尺寸是指桁条的截面尺寸，并保存在数据库中；

3）对环框建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为环框的材料属性和环框的几何尺寸；

所述的环框的材料属性是指环框材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和断后伸长率，并保存在数据库中；

所述的环框的几何尺寸是指环框的截面尺寸，并保存在数据库中；

4）将步骤1）中建立的蒙皮模型、步骤2）中建立的桁条模型和步骤3）中建立的环框模型进行装配，得到装配模型；

5）对步骤4）得到的装配模型进行开孔；

6）采用有限元工具对步骤5）得到的装配模型进行单元划分，得到单元模型，得到的单元模型为应力分析模型或稳定性分析模型；

进行单元划分时要求相邻桁条之间不少于5个单元以及相邻的环框之间不少于5个单元；以达到足以描述失稳波和结构变形模式的要求；

7）如果步骤6）得到的单元模型为应力分析模型，则采用完全积分单元；如果步骤6）得到的单元模型为稳定性分析模型，分两种情况，如果在稳定性分析模型的任意方向的单元数目大于4，则采用减缩积分单元，如果在稳定性分析模型的任意方向的单元数目小于等于4，则采用完全积分单元；

8）采用有限元工具在单元模型上施加边界条件和载荷，然后用有限元工具对单元模型进行应力分析或稳定性分析。