CN104675560B - 一种组成贮箱箱底的焊缝应力均匀化瓜瓣 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组成贮箱箱底的焊缝应力均匀化瓜瓣，焊缝应力均匀化瓜瓣为球壳或者椭球壳的若干分之一形状，整体呈等腰三角形弧面，还包括薄区、厚区、大端环槽、小端环槽、过渡区；薄区位于瓜瓣的中间，瓜瓣大部分区域为薄区；过渡区包围在薄区的四周；厚区包围在过渡区的四周；厚区、过渡区、薄区的厚度依次减小；大端环槽为沿联通两个大端顶角之间的厚区外缘弧线延伸且在厚区中部内外表面开设的矩形槽；小端环槽为沿联通两个小端顶角之间的厚区外缘弧线延伸且在厚区中部内外表面开设的矩形槽。本发明的瓜瓣纵缝内外表面应力均匀化；小端环缝、大端环缝内外表面应力均匀化；瓜瓣小端顶角、大端顶角附近的应力显著降低；箱底的承载能力提高了30%。

Description

一种组成贮箱箱底的焊缝应力均匀化瓜瓣

技术领域

本发明涉及承受轴压内压的液体推进剂贮箱技术领域，具体涉及一种组成贮箱箱底的焊缝应力均匀化瓜瓣。

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。

瓜瓣是组成推进剂贮箱箱底的零件，箱底由多个瓜瓣拼焊组成。由于焊缝的强度比瓜瓣原材料低，及为了满足减重的要求，瓜瓣中包括薄区和厚区，传统的瓜瓣结构薄区的内表面与厚区的内表面齐平，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内表面应力远远高于外表面，在焊缝附近形成了附加弯矩及应力分布不均匀，严重影响了焊缝区域的承载能力，导致贮箱承载能力降低。工程上需要一种新型的瓜瓣结构，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一种焊缝应力均匀化瓜瓣，消除现有瓜瓣结构所导致的瓜瓣焊缝附近附加弯矩及应力分布不均匀的状态，实现瓜瓣焊缝附近应力基本接近膜应力状态。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为，一种组成贮箱箱底的焊缝应力均匀化瓜瓣，所述焊缝应力均匀化瓜瓣为球壳或者椭球壳的若干分之一形状，整体呈等腰三角形弧面，

还包括薄区、厚区、大端环槽、小端环槽、过渡区；

薄区位于瓜瓣的中间，瓜瓣大部分区域为薄区；

过渡区包围在所述薄区的四周；厚区包围在所述过渡区的四周；

所述厚区、过渡区、薄区的厚度依次减小；

所述大端环槽为沿联通所述两个大端顶角之间的厚区外缘弧线延伸且在所述厚区中部内外表面开设的矩形槽；

所述小端环槽为沿联通所述两个小端顶角之间的厚区外缘弧线延伸且在所述厚区中部内外表面开设的矩形槽。

所述薄区的内、外表面与对应的厚区的内、外表面非齐平，极限状态为薄区的外表面或内表面与对应的厚区的外表面或内表面齐平。

所述过渡区的厚度介于薄区厚度与厚区厚度之间，所述过渡区的内、外表面与对应的厚区的内、外表面非齐平，极限状态为过渡区的外表面或内表面与对应的厚区的外表面或内表面齐平。

所述小端环槽的厚度介于薄区厚度与厚区厚度之间，小端环槽的内、外表面与对应的厚区的内、外表面非齐平，极限状态为小端环槽的外表面或内表面与对应的厚区的外表面或内表面齐平，小端环槽延伸的两端分别与临近的瓜瓣纵边的距离均为瓜瓣纵边处厚区宽度的0.5～4倍。

大端环槽的厚度介于薄区厚度与厚区厚度之间，大端环槽的内、外表面与对应的厚区的内、外表面非齐平，极限状态为大端环槽的外表面或内表面与对应的厚区的外表面或内表面齐平，大端环槽延伸的两端分别与其临近的瓜瓣纵边的距离均为瓜瓣纵边处厚区宽度的0.5～4倍。

小端顶角形状可为近似三角形，也可为近似矩形或者品字形。

大端顶角形状可为近似三角形，也可为近似矩形或者品字形。

本发明的有益效果：

（1）瓜瓣纵缝内外表面应力均匀化；

（2）小端环缝、大端环缝内外表面应力均匀化；

（3）瓜瓣小端顶角、大端顶角附近的应力显著降低；

（4）由改进后的瓜瓣组成的箱底，承载能力提高30%。

附图说明

图1为本发明焊缝应力均匀化瓜瓣示意图；

图2为推进剂贮箱箱底示意图；

图3图1中A-A剖面图；

图4图1中B-B剖面图；

图5图1中C-C剖面图；

图6为本发明焊缝应力均匀化瓜瓣的大端环槽法向极限位置示意图。

图中：1-薄区，2-厚区，3-大端环槽，4-小端环槽，5-小端顶角，6-过渡区，7-大端顶角，8-顶盖，9-过渡环，10-瓜瓣，11-瓜瓣纵边，12-小端环边，13-大端环边，14-小端环缝，15-瓜瓣纵缝，16-大端环缝。

具体实施方式

以下结合图1、图2和实施例对本发明做进一步描述。

如图2所示，为贮箱底结构示意图，贮箱底包括顶盖8、过渡环9以及瓜瓣10，其中瓜瓣10有8块，沿轴线均匀分布，通过小端环缝14、瓜瓣纵缝15以及大端环缝16通过焊接组成贮箱底。

贮箱底在工作过程中承受内压，由于焊缝强度较低，需要将焊缝附近加厚形成厚区2，而瓜瓣大部分区域为薄区1，厚度的改变使得焊缝处的应力不再满足膜应力假设，现有的瓜瓣结构将导致在焊缝区域存在附加弯距，从而导致焊缝区域内外表面的应力差距显著，严重影响箱底的承载能力。

如图1所示，本发明提供了一种焊缝应力均匀化瓜瓣，是一种改变了薄区1与厚区2在法向的相对位置并且在厚区2附近改进的结构，通过局部区域的改进，改变了焊缝区域的传力路线，实现了小端环缝14、瓜瓣纵缝15以及大端环缝16内外表面应力均匀，提高了箱底的承载能力。

所述焊缝应力均匀化瓜瓣为球壳或者椭球壳的若干分之一形状，整体呈等腰三角形弧面，其包括两个顶角5和两个大端顶角7，所述小端顶角5与相邻的大端顶角7之间为厚区2外边缘为瓜瓣纵边11；所述小端顶角5为小端环边12与瓜瓣纵边11的交汇区域，大端顶角7为大端环边13与瓜瓣纵边11的交汇区域；所述小端环边12与贮箱底的顶盖8通过小端环缝14焊接；所述大端环边13与贮箱底的过渡环9通过大端环缝16焊接；所述瓜瓣纵边11与贮箱底的其他瓜瓣结构的瓜瓣纵边11通过瓜瓣纵缝15焊接；

其特征在于：还包括薄区1、厚区2、大端环槽3、小端环槽4、过渡区6；

薄区1位于瓜瓣的中间，瓜瓣大部分区域为薄区；

过渡区6包围在所述薄区1的四周；厚区2包围在所述过渡区6的四周；

所述厚区2、过渡区6、薄区1的厚度依次减小；

所述大端环槽3为沿联通所述两个大端顶角7之间的厚区2外缘弧线（即大端环边13）延伸且在所述厚区2中部内外表面开设的矩形槽；

所述小端环槽4为沿联通所述两个小端顶角5之间的厚区2外缘弧线（即小端环边12）延伸且在所述厚区2中部内外表面开设的矩形槽。

薄区1相对厚区2法向位置可以变化，一般为所述薄区1的内、外表面与对应的厚区2的内、外表面非齐平，极限状态为薄区1的外表面或内表面与对应的厚区2的外表面或内表面齐平。

所述过渡区6的厚度介于薄区1厚度与厚区2厚度之间，过渡区6与厚区2的法向相对位置可以变化，一般为所述过渡区6的内、外表面与对应的厚区2的内、外表面非齐平，极限状态为过渡区6的外表面或内表面与对应的厚区2的外表面或内表面齐平。

所述小端环槽4的厚度介于薄区1厚度与厚区2厚度之间，小端环槽4与厚区2的法向相对位置可以变化，一般为小端环槽4的内、外表面与对应的厚区2的内、外表面非齐平，极限状态为小端环槽4的外表面或内表面与对应的厚区2的外表面或内表面齐平，小端环槽4延伸的两端分别与临近的瓜瓣纵边的距离均为瓜瓣纵边处厚区2宽度的0.5～4倍。

大端环槽3的厚度介于薄区1厚度与厚区2厚度之间，大端环槽3与厚区2的法向相对位置可以变化，一般为大端环槽3的内、外表面与对应的厚区2的内、外表面非齐平，极限状态为大端环槽3的外表面或内表面与对应的厚区2的外表面或内表面齐平，大端环槽3延伸的两端分别与临近的瓜瓣纵边的距离均为瓜瓣纵边处厚区2宽度的0.5～4倍。

小端顶角5形状可为近似三角形，也可为近似矩形或者品字形。

大端顶角7形状可为近似三角形，也可为近似矩形或者品字形。

具体设计时，可按照以下过程确定相关的参数。

首先，根据瓜瓣纵缝15的应力分布情况，确定出过渡区6及薄区1相对厚区2的法向位置及过渡区6的宽度，设计的目标为瓜瓣纵缝15的内外表面应力均匀。考虑到贮箱承受内压的载荷工况，薄区1的中面（即厚度方向的平分面）需要相对厚区2的中面外置（靠贮箱箱底的外侧），过渡区6的中面也需要相对厚区2的中面外置，厚区2宽度一般可取50mm，过渡区6的宽度可取30～50mm。计算结果表明在瓜瓣纵缝15除靠近小端顶角5、大端顶角7的区域外，可以实现内外表面应力差距在10%以内，在工程上认为是均匀的。

其次，根据小端环缝14的应力分布情况，确定出小端环槽4相对厚区2的法向位置、宽度及厚区2在小端的宽度，设计的目标为小端环缝14的内外表面应力均匀。考虑到贮箱承受内压的载荷工况，小端环缝14在法向可与厚区2中面对齐，小端环缝14宽度可取30mm，厚区2在小端的总宽度可以取110mm。

再次，采用确定小端环槽4类似的方法，可确定出大端环槽3的法向位置及宽度，使得大端环缝16的内外表面应力均匀。鉴于过渡环9对大端环缝16应力的影响，大端环槽3的内表面可与厚区2内齐平。

第四，由于瓜瓣纵缝15、小端环缝14附近均为厚区，相对薄区1所对应的区域，在小端顶角5附近，瓜瓣纵缝15与小端环缝14存在相互影响，导致此处的垂直于焊缝的应力存在集中，较比薄区1所对应的区域增大。通过在小端顶角5引入集中力扩散结构，其结构形式可以为近似的三角形、矩形或者品字形等，如图1所示为近似三角形，通过调整三角形的两个直角边尺寸可以降低影响，从而降低了此区域的应力分布，在小端顶角5的结构尺寸中需要兼顾瓜瓣纵缝15、小端环缝14应力分布，以三角形的顶角为例，三角形的边长一般应为瓜瓣纵边11处厚区2宽度的1.5～4倍。

第五，参照步骤四所给出的设计思路，可以确定出大端顶角7处的结构形式。

以某型号5m直径贮箱中的瓜瓣为例：

瓜瓣为球缺的1/8，瓜瓣的理论球半径为2776.8mm，厚区2的厚度为6.2mm，厚区2在瓜瓣纵边11处的宽度为50mm，厚区2在小端环边12处的宽度为110mm，厚区2在大端环边13处的宽度为110mm，薄区1的厚度为3.1mm，过渡区厚度为4.2mm，宽度为30mm，大端环槽3与小端环槽4的宽度为30mm，小端环槽4与厚区2中面对齐，小端环槽4厚度为4.2mm，大端环槽3内表面与厚区2内表面对齐，大端环槽3厚度为3.9mm,采用有限元方法对该瓜瓣组成的箱底进行校核。

对箱底的采用实体单元HEX8建模，建模中考虑了瓜瓣、顶盖以及过渡环对计算结果的影响，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°的箱底，过渡环的下端处施加径向零位移约束，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小端环缝14内外表面应力相差小于5%，瓜瓣纵缝15内外表面应力相差小于8.5%，大端环缝16内外表面应力相差小于9%，在顶角附近应力最大值与其余区域相差小于10%，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瓜瓣结构，可以实现箱底结构承载能力提高30%。

传统的瓜瓣结构仅分为厚区和薄区，且厚区和薄区在内表面齐平，这导致了焊缝在内表面的应力远远高于外表面，使得贮箱承载能力显著降低。在本发明的过程中，通过对瓜瓣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，即通过调整薄区与厚区的法向相对位置，使得由于薄厚区差异带来的传力不均匀与薄厚区差异带来的弯距二者方向相反相互弥补和抵消，从而实现了焊缝区域的内外表面应力均匀。由于在不同的焊缝位置，应力分布有差异，仅仅依靠调整薄区中面法向位置难以满足要求，因此采取了以纵缝为准首先确定薄区的法向相对位置，而后通过在小端环缝及大端环缝附近的厚区中引入环槽，通过调整环槽的厚度和相对厚区的法向位置实现了小端环缝及大端环缝处的应力分布均匀，本发明还在大端顶角、小端顶角处，加入传力扩散区，降低了纵缝厚区对小端环缝、大端环缝的相互影响，从而实现了对所有的瓜瓣纵缝应力分布均匀化。

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，较比现有的瓜瓣结构承载能力提高30%，提高了结构效率。

Claims (7)

1.一种组成贮箱箱底的焊缝应力均匀化瓜瓣，所述焊缝应力均匀化瓜瓣为球壳或者椭球壳的若干分之一形状，整体呈等腰三角形弧面，

其特征在于：还包括薄区、厚区、大端环槽、小端环槽、过渡区；

薄区位于瓜瓣的中间，瓜瓣大部分区域为薄区；

过渡区包围在所述薄区的四周；厚区包围在所述过渡区的四周；

所述厚区、过渡区、薄区的厚度依次减小；

所述大端环槽为沿联通两个大端顶角之间的厚区外缘弧线延伸且在所述厚区中部内外表面开设的矩形槽；

所述小端环槽为沿联通两个小端顶角之间的厚区外缘弧线延伸且在所述厚区中部内外表面开设的矩形槽。

2.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化瓜瓣，其特征在于：所述薄区的内、外表面与对应的厚区的内、外表面非齐平，或者薄区的外表面或内表面与对应的厚区的外表面或内表面齐平。

3.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化瓜瓣，其特征在于：所述过渡区的厚度介于薄区厚度与厚区厚度之间，所述过渡区的内、外表面与对应的厚区的内、外表面非齐平，或者过渡区的外表面或内表面与对应的厚区的外表面或内表面齐平。

4.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化瓜瓣，其特征在于：所述小端环槽的厚度介于薄区厚度与厚区厚度之间，小端环槽的内、外表面与对应的厚区的内、外表面非齐平，或者小端环槽的外表面或内表面与对应的厚区的外表面或内表面齐平，小端环槽延伸的两端分别与临近的瓜瓣纵边的距离均为瓜瓣纵边处厚区宽度的0.5～4倍。

5.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化瓜瓣，其特征在于：大端环槽的厚度介于薄区厚度与厚区厚度之间，大端环槽的内、外表面与对应的厚区的内、外表面非齐平，或者大端环槽的外表面或内表面与对应的厚区的外表面或内表面齐平，大端环槽延伸的两端分别与其临近的瓜瓣纵边的距离均为瓜瓣纵边处厚区宽度的0.5～4倍。

6.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化瓜瓣，其特征在于：小端顶角形状为近似三角形，也可为近似矩形或者近似品字形。

7.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化瓜瓣，其特征在于：大端顶角形状为近似三角形，也可为近似矩形或者近似品字形。