CN104670522A

CN104670522A - 一种焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板

Info

Publication number: CN104670522A
Application number: CN201310648822.6A
Authority: CN
Inventors: 彭伟斌; 袁彪; 李林生; 王斌
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: CN104670522B

Abstract

本发明涉及一种焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，筒段壁板为弧形状板，设弧形状板的弧延伸方向的两端为左右两端，与左右两端垂直的端面分别为上下两端；弧形状板的凹面为内壁，凸面为外壁；筒段壁板包括在其左右两端的内壁加厚形成的壁板纵边、在其上下两端的内壁加厚形成的壁板环边、沿其从左向右方向和从上到下方向未加厚的薄区；还包括设置在相邻的壁板纵边和壁板环边的交汇区域的半品字形壁板顶角，壁板顶角与壁板纵边和壁板环边均一体式连接，且壁板顶角、壁板纵边和壁板环边的壁厚一致。应用本发明后，筒段纵缝、筒段环缝的内外表面应力近似均匀化；壁板顶角处的应力显著降低；由焊缝应力均匀化筒段壁板组成的筒段承载能力提高35%。

Description

一种焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板

技术领域

本发明涉及火箭推进剂贮箱结构技术领域，具体涉及一种焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板。

背景技术

推进剂贮箱是液体导弹火箭中重要的部件之一，存贮推进剂，承受内压轴压等多种载荷。随着航天技术的发展，对结构设计提出的轻质高可靠的要求越来越高，要求结构具有较高的结构效率，在满足承载能力的前提下尽量降低结构重量。

筒段壁板是组成推进剂贮箱筒段的零件，贮箱筒段由多块筒段壁板拼焊组成，对于较长贮箱，可以包括多个筒段。由于焊缝的强度比筒段壁板原材料低，及为了满足减重的要求，筒段壁板中包括薄区和厚区，传统的筒段壁板结构薄区的外表面与厚区的外表面齐平，这种结构在运载火箭中沿用了多年。在内压作用下，该结构导致了焊缝的外表面应力远远高于内表面，在焊缝附近形成了附加弯矩，严重影响了焊缝区域的承载能力，根据计算分析认为可导致贮箱承载能力降低35％。工程上需要一种新型的筒段壁板结构，以期使得焊缝区域内外表面的应力分布均匀，提高承载能力。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是提供了一种焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，消除现有筒段壁板结构所导致的筒段壁板焊缝附近附加弯矩及应力分布不均匀的状态，实现筒段壁板焊缝附近应力基本接近膜应力状态，提高贮箱的承载能力。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为，一种焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，所述筒段壁板为弧形状板，设所述弧形状板的弧延伸方向的两端为左右两端，与所述左右两端垂直的端面分别为上下两端；所述弧形状板的凹面为内壁，凸面为外壁；

所述筒段壁板包括在其左右两端的内壁加厚形成的壁板纵边、在其上下两端的内壁加厚形成的壁板环边、沿其从左向右方向和从上到下方向均未加厚的薄区；

还包括设置在所述相邻的壁板纵边和壁板环边的交汇区域的半品字形壁板顶角，所述壁板顶角与所述壁板纵边和壁板环边均一体式连接，且壁板顶角、壁板纵边和壁板环边的壁厚一致。

还包括自所述壁板纵边向所述薄区方向依次相邻设置的双面铣槽、纵边阶梯；所述双面铣槽的内壁直径小于所述壁板纵边的内壁直径，大于所述薄区内壁直径；所述双面铣槽的外壁直径小于所述壁板纵边的外壁直径；所述纵边阶梯包括若干个阶梯段，靠近所述双面铣槽的阶梯段内壁直径大于所述双面铣槽的内壁直径；所述若干个阶梯段的内壁直径向薄区方向依次增加；所述双面铣槽、纵边阶梯的上下两端分别与对应的上下壁板顶角一体式连接。

还包括自所述壁板环边向所述薄区延伸的环边阶梯，所述环比阶梯包括若干个阶梯段；所述若干个阶梯段的内壁直径向薄区方向依次增加；所述环边阶梯的左右两端分别与对应的左右壁板顶角一体式连接。

所述壁板纵边的左右宽度为30～200mm，双面铣槽的壁厚为壁板纵边壁厚的1/2～3/4，纵边阶梯的每个阶梯段的左右宽度为30～50mm。

所述纵边阶梯有三个阶梯段，依次壁厚为壁板纵边壁厚的15/16、7/8、3/4。

所述壁板环边的上下宽度为30～200mm；环比阶梯包括一个阶梯段，其上下宽度为30mm，环边阶梯的壁厚为壁板纵边1壁厚的7/8。

壁板顶角的上下长度尺寸Ｌ为壁板环边上下宽度的2～6倍，壁板顶角的左右长度尺寸Ｗ为壁板纵边左右宽度的2～6倍。

本发明的有益效果：

（1）筒段纵缝内外表面应力近似均匀化；

（2）筒段环缝内外表面应力近似均匀化；

（3）在壁板顶角处的应力显著降低；

（4）由焊缝应力均匀化筒段壁板组成的筒段，承载能力提高35%。

附图说明

图1火箭推进剂贮箱结构示意图；

图2火箭推进剂贮箱筒段示意图；

图3火箭推进剂贮箱多个贮箱筒段示意图；

图4本发明一种焊缝应力均匀化筒段壁板示意图

图5为图4中A-A剖面图；

图6为图4中B-B剖面图；

图中：1-壁板纵边，2-双面铣槽，3-纵边阶梯，4-壁板环边，5-环边阶梯，6-壁板顶角，7-薄区，8-筒段纵缝，9-筒段环缝，10-筒段壁板，11-筒段，12-贮箱箱底，13-过渡环。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

如图1、图2所示的火箭推进剂贮箱，其包括贮箱箱底12、过渡环13、筒段11；过渡环13为轴对称环状结构；筒段11包括依次相接的多块筒段壁板10，相邻两块筒段壁板10之间具有筒段纵缝8，经所述筒段纵缝8进行焊接工艺，从而形成一体的筒段11；

如图3所示，火箭推进剂贮箱可以包括多个筒段11，多个筒段11上下依次对接，并通过筒段11之间的筒段环缝9焊接而成；

火箭推进剂贮箱在工作过程中承受内压，由于焊缝强度较低，需要将靠近筒段纵缝8附近的筒段壁板10加厚形成壁板纵边1，需要将筒段环缝9附近的筒段壁板10加厚形成壁板环边4，而筒段壁板10大部分区域为薄区7，厚度的改变使得焊缝处的应力不再满足膜应力假设，现有的筒段壁板结构将导致筒段纵缝8、筒段环缝9内外表面的应力差距显著，严重影响箱底的承载能力。

如图4所示，本发明的一种焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，所述筒段壁板为弧形状板，设所述弧形状板的弧延伸方向的两端为左右两端，与所述左右两端垂直的端面分别为上下两端；所述弧形状板的凹面为内壁，凸面为外壁；

所述筒段壁板包括在其左右两端的内壁加厚形成的壁板纵边1、在其上下两端的内壁加厚形成的壁板环边4、沿其从左向右方向和从上到下方向均未加厚的薄区7；

还包括设置在所述相邻的壁板纵边1和壁板环边4的交汇区域的半品字形壁板顶角6，所述壁板顶角6与所述壁板纵边1和壁板环边4均一体式连接，且壁板顶角6、壁板纵边1和壁板环边4的壁厚一致；

如图5、图6所示，还包括自所述壁板纵边1向所述薄区7方向依次相邻设置的双面铣槽2、纵边阶梯3；

所述双面铣槽2的内壁直径小于所述壁板纵边1的内壁直径，大于所述薄区7内壁直径；所述双面铣槽2的外壁直径小于所述壁板纵边1的外壁直径；

所述纵边阶梯3包括若干个阶梯段，靠近所述双面铣槽2的阶梯段内壁直径大于所述双面铣槽2的内壁直径；所述若干个阶梯段的内壁直径向薄区7方向依次增加；

所述双面铣槽2、纵边阶梯3的上下两端分别与对应的上下壁板顶角6一体式连接；

还包括自所述壁板环边4向所述薄区7延伸的环边阶梯5，所述环比阶梯5包括若干个阶梯段；所述若干个阶梯段的内壁直径向薄区7方向依次增加；

所述环边阶梯5的左右两端分别与对应的左右壁板顶角6一体式连接；

壁板纵边1的左右宽度为30～200mm，双面铣槽2壁的中分面与壁板纵边1壁的中分面对齐，双面铣槽2的壁厚为壁板纵边1壁厚的1/2～3/4，纵边阶梯3的每个阶梯段的左右宽度为30～50mm，每个阶梯段的壁厚依次降低；当有三个阶梯段时，依次壁厚取壁板纵边1壁厚的15/16、7/8、3/4；纵边阶梯3的每一阶梯段的外壁直径与壁板纵边1的外壁直径一致。

壁板环边4的上下宽度为30～200mm；环比阶梯5仅为一个阶梯段，其上下宽度为30mm，环边阶梯5的壁厚为壁板纵边1壁厚的7/8。

壁板顶角6的上下长度尺寸Ｌ为壁板环边4上下宽度的2～6倍，壁板顶角6的左右长度尺寸Ｗ为壁板纵边1左右宽度的2～6倍。

以某型号5m直径火箭推进剂贮箱中的筒段壁板10为例，每个筒段11包括4块筒段壁板10，壁板纵边1的厚度为8mm，薄区7的厚度为3.9mm，材料为2219C10S，筒段壁板其余部分按照以上步骤确定，采用有限元方法对该筒段壁板组成的筒段进行校核。

对筒段11的采用实体单元HEX8建模，模型总跨度为45°，模型中，在贮箱内表面施加0.7MPa的内压载荷，在两侧施加对称约束以模拟360°的筒段，筒段11的下端处施加轴向零位移约束，上端施加载荷模拟贮箱箱底12的作用，求解器采用了Sol600，计算中考虑了材料非线性和几何大变形。

有限元的计算结果表明筒段纵缝8内外表面应力相差小于1%，筒段环缝9内外表面应力相差小于5%，在壁板顶角6区域比其它区域应力增大6%,基本实现了焊缝应力均匀化的目标。按照塑性破坏准则，可以看出，采用本发明所提供的筒段壁板结构，可以实现箱底结构承载能力提高35%。

传统的筒段壁板10结构仅分为厚区和薄区，且厚区和薄区在外表面齐平，这导致了筒段纵缝8在外表面的应力远远高于内表面，筒段环缝9的内外表面也有较大差距，而在壁板顶角6区域比其它区域应力增大超过30%,这种结构导致贮箱承载能力显著降低。

在本发明的过程中，通过对筒段壁板10焊缝附近应力分布规律研究和影响因素分析，寻找到了一种实现焊缝内外表面应力均匀化的途径，即通过在壁板纵边1与薄区7之间依次增加双面铣槽2和纵边阶梯3，壁板环边4与薄区7之间增加环边阶梯5，在壁板纵边1与壁板环边4的交汇区域增加了半品字形的壁板顶角6，筒段纵缝8、筒段环缝9的应力分布进行了强制重新分布，实现了近似膜应力，从而提高了结构承载能力。

本发明对于结构重量要求苛刻的运载火箭贮箱设计而言意义重大，通过内外表面应力均匀化，提高了焊缝的承载能力，较比现有的筒段壁板结构承载能力提高35%，提高了结构效率。

Claims

1.一种焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于：所述筒段壁板为弧形状板，设所述弧形状板的弧延伸方向的两端为左右两端，与所述左右两端垂直的端面分别为上下两端；所述弧形状板的凹面为内壁，凸面为外壁；

所述筒段壁板包括在其左右两端的内壁加厚形成的壁板纵边、在其上下两端的内壁加厚形成的壁板环边、沿其从左向右方向和从上到下方向未加厚的薄区；

2.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于：还包括自所述壁板纵边向所述薄区方向依次相邻设置的双面铣槽、纵边阶梯；所述双面铣槽的内壁直径小于所述壁板纵边的内壁直径，大于所述薄区内壁直径；所述双面铣槽的外壁直径小于所述壁板纵边的外壁直径；所述纵边阶梯包括若干个阶梯段，靠近所述双面铣槽的阶梯段内壁直径大于所述双面铣槽的内壁直径；所述若干个阶梯段的内壁直径向薄区方向依次增加；所述双面铣槽、纵边阶梯的上下两端分别与对应的上下壁板顶角一体式连接。

3.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于：还包括自所述壁板环边向所述薄区延伸的环边阶梯，所述环比阶梯包括若干个阶梯段；所述若干个阶梯段的内壁直径向薄区方向依次增加；所述环边阶梯的左右两端分别与对应的左右壁板顶角一体式连接。

4.按照权利要求2所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于：所述壁板纵边的左右宽度为30～200mm，双面铣槽的壁厚为壁板纵边壁厚的1/2～3/4，纵边阶梯的每个阶梯段的左右宽度为30～50mm。

5.按照权利要求4所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于：所述纵边阶梯有三个阶梯段，依次壁厚为壁板纵边壁厚的15/16、7/8、3/4。

6.按照权利要求3所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于：所述壁板环边的上下宽度为30～200mm；环比阶梯包括一个阶梯段，其上下宽度为30mm，环边阶梯的壁厚为壁板纵边壁厚的7/8。

7.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于：壁板顶角的上下长度尺寸Ｌ为壁板环边上下宽度的2～6倍，壁板顶角的左右长度尺寸Ｗ为壁板纵边左右宽度的2～6倍。