CN109736973B - 贮箱过渡环及推进剂贮箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体火箭贮箱领域，具体提供了一种贮箱过渡环及推进剂贮箱。贮箱过渡环用于箱底和筒段的对接，所述过渡环为环状结构，其包括一体式连接的直段部和曲段部，所述曲段部一端与箱底连接，另一端与所述直段部的内壁连接，所述曲段部的内壁上设有朝向所述过渡环内侧延伸的内横梁，在曲段部上具有环向应力从拉伸应力到压缩应力转变的转折点，内横梁位于靠近转折点的位置处。本发明的贮箱过渡环结构可靠性高、变形协调能力高，功能集成度高，后期装配对接简易，且结构适应范围广，实用性强。

Description

贮箱过渡环及推进剂贮箱

技术领域

本发明涉及液体火箭贮箱领域，具体涉及一种贮箱过渡环及推进剂贮箱。

背景技术

运载火箭贮箱结构中的稳定性设计是贮箱工程设计中需考虑的一个重要问题。对于薄壳结构，当膜应力为压应力并达到一定量级时，就有可能产生结构整体或局部的屈曲，而贮箱作为典型薄壳结构，其箱底的外压失稳及筒段的轴压失稳问题已经受到工程设计人员的广泛重视，国内外火箭均采取了相应的抗失稳措施，但是对箱底的内压失稳问题却研究较少。然而，对于某些底形如大模数的椭球箱底，贮箱筒段与箱底的过渡区在内压作用下的局部环向应力表现为压应力，极有可能导致过渡区发生皱折而造成局部失稳，在径厚较大的薄壁贮箱结构上表现尤为突出。

贮箱过渡环是箱底和筒段的连接结构，该处一般采用焊接，是结构的薄弱点，同时该处由半径为R的过渡部分和直边部分(曲率半径为∞)组成，存在着曲率半径从R到∞的突变，因此该处相邻各点的应力变化梯度较大，除了内压引起的薄膜应力，还有结构不连续所带来的边缘应力。再有考虑到贮箱加注低温推进剂，温度和内压的联合作用将加剧过渡区域的局部弯矩，因此该处受力环境恶劣，是结构的危险点，易出现结构失稳破坏。

如图1所示，对于大模数的椭球箱底和筒段结构协调变形中，图中a和a₁分别为箱底和筒段变形前形状，b和b₁分别为箱底和筒段自由变形后的形状，c和c₁分别为箱底和筒段相互约束下协调变形后的形状。由图1中c和c₁形状可知，箱底限制了筒段端部直径的增大，带来了环向压缩应力，箱底同时还限制了筒段端部横截面的转动，带来了轴向弯曲应力。因此，传统过渡环将过渡区设计的非常厚，如传统的叉型环，虽然抵抗了部分弯矩造成的应力，但是无法提供结构变形协调所需要的环向刚度，导致结构在耦合载荷(温度、弯矩、轴压、集中力)作用下，在椭球赤道附近发生环向褶皱，端面出现波状的塑性变形，导致结构失效。

发明内容

为解决传统贮箱过渡环无法提供抵抗环向压缩应力的环向刚度，从而容易导致结构失稳变形技术问题，本发明提供了一种有效增强环刚度，从而提高贮箱稳定性的贮箱过渡环。

同时，为解决传统贮箱环向刚度较差，容易在耦合载荷作用下产生环向褶皱的技术问题，本发明提供了一种结构稳定性好，满足不同载荷环境的推进剂贮箱。

第一方面，本发明提供了一种贮箱过渡环，

用于箱底和筒段的对接，所述过渡环为环状结构，其包括一体式连接的直段部和曲段部，所述曲段部一端与箱底连接，另一端与所述直段部的内壁相切连接，所述曲段部的内壁上设有朝向所述过渡环内侧延伸的内横梁，在所述曲段部上具有环向应力从拉伸应力到压缩应力转变的转折点，所述内横梁位于靠近所述转折点的位置处。

所述内横梁在贮箱轴向方向上位于距离所述转折点-120mm～120mm的位置。

所述内横梁在贮箱轴向方向上位于所述转折点的位置处。

所述内横梁在贮箱径向方向上的宽度为20～25mm。

所述内横梁与所述曲段部的内壁一体式连接。

所述直段部包括与所述曲段部的所述另一端相切连接的第二直段，和一端与所述第二直段一体式连接、另一端用于与筒段焊接的第三直段，所述第三直段的外径不大于所述第二直段的外径。

所述第三直段上开设有使所述第三直段的壁厚在沿焊接端向另一端方向上逐渐减薄的应力扩散结构。

所述应力扩散结构在所述第三直段的内壁和外壁上对称设置。

所述应力扩散结构为多段阶梯状结构。

在所述贮箱轴向方向上，位于所述内横梁与所述应力扩散结构之间的所述曲段部的内壁上环形开设有抗弯槽。

所述直段部还包括一端与所述第二直段一体式连接的第一直段。

所述直段部的外壁上设有若干沿所述贮箱轴向的加强筋。

所述加强筋由多个在所述直段部的外壁上削除材料形成的加强筋网格依次排列形成。

所述箱底为椭球形箱底或蝶形箱底。

第二方面，本发明提供了一种推进剂贮箱，包括：

箱底；

上述的过渡环，所述贮箱过渡环的曲段部的一端与所述椭球面箱底焊接；以及

筒段，与所述贮箱过渡环的第三直段的一端焊接，所述筒段的焊接端设有与所述第三直段上的应力扩散结构沿焊接面对称开设的焊接结构。

本发明的技术方案，具有如下有益效果：

1)本发明提供的贮箱过渡环，用于箱底和筒段的对接，过渡环为环状结构，其包括一体式连接的直段部和曲段部，曲段部一端与箱底连接，另一端与直段部的内壁相切连接，曲段部的内壁上设有朝向过渡环内侧延伸的内横梁，内横梁在贮箱轴向方向上位于靠近箱底结构上环向应力从拉伸应力到压缩应力转变的转折点的位置处。通过在过渡区域的曲段部设置内横梁，增强结构的环向刚度，减小结构在承载过程中过渡环的收缩变形，提高贮箱稳定性，同时内横梁可为防晃阻尼板和箱壁提供连接界面，相较传统的电焊或角焊结构，采用螺接或铆接对防晃阻尼板安装的可靠性更高，并且无需加设安装支架，操作简单易行。

2)本发明提供的贮箱过渡环，内横梁在贮箱轴向方向上位于距离所述转折点的位置处，对于椭球面的箱底，在赤道线上方有环向应力从拉伸应力向压缩应力转变的转折点，转折点位置存在着受力环境的突变，因此是结构的薄弱点，易出现失稳破坏，从而将内横梁设置在转折点位置处，有效增强转折点位置处的环向刚度，提高结构稳定性。

3)本发明提供的贮箱过渡环，内横梁在贮箱径向方向上的宽度为20～25mm，内横梁的尺寸包络在过渡环锻件毛坯中，结构形式的变化不影响原始毛坯的订购，降低成本。

4)本发明提供的贮箱过渡环，直段部包括与曲段部的另一端相切连接的第二直段，和一端与第二直段一体式连接、另一端用于与筒段焊接的第三直段，第三直段的外径不大于第二直段的外径。通过在直段部与曲段部相切连接位置的下方加设第三直段，降低连接处的焊接热应力，加强过渡环结构稳定性。

5)本发明提供的贮箱过渡环，第三直段上开设有使第三直段的壁厚在沿焊接端向另一端的方向上逐渐减薄的应力扩散结构，可以补偿边缘焊接区域因受热量冲击而导致物理性能降低的影响，同时降低构件的重量，充分利用材料性能。

6)本发明提供的贮箱过渡环，在贮箱轴向方向上，位于内横梁与应力扩散结构之间的曲段部的内壁上开设有抗弯槽，在过渡区径向变形受约束最大的区域，对结构进行削薄处理，增加结构的柔度和变形能力，箱底受压后向外膨胀变形时，由于抗弯槽的存在，筒段对箱底的变形限制有所松弛，故更容易适应较大的内压载荷作用。

7)本发明提供的贮箱过渡环，直段部还包括一端与第二直段一体式连接的第一直段，第一直段的另一端用来焊接短壳，使得过渡环结构的焊缝承载能力高。

8)本发明提供的贮箱过渡环，直段部非外壁上设有若干沿贮箱轴向的加强筋，由于加强筋的存在，使得结构的惯性矩增加，结构抗失稳能力增强，同时加强筋可由在直段部外壁上铣切处网格形成，切除的材料又可为结构减轻废重，提高结构的承载效率。

9)本发明提供的推进剂贮箱，包括箱底、上述的贮箱过渡环、和筒段，贮箱过渡环的曲段部的一端与椭球面箱底焊接，筒段与贮箱过渡环的第三直段的一端焊接，筒段的焊接端设有与第三直段上的应力扩散结构沿焊接面对称开设的焊接结构。本发明的推进剂贮箱由于包括上述的贮箱过渡环，因此具有上述所有有益效果，同时在筒段上开设于应力扩散结构对称设置的焊接结构，两者形成对称双级式焊接结构，这种结构可以最大化降低焊接区域的弯曲应力而不过分增加构件的重量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是箱底与筒段的结构变形协调示意图；

图2是箱底的应力分布示意图；

图3是根据本发明一种实施方式中贮箱过渡环的剖面结构示意图。

附图标记说明：

I-第一直段；II-第二直段；III-第三直段；2-曲段部；3-内横梁；4-应力扩散结构；5-抗弯槽；6-加强筋网格。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施例，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明提供的贮箱过渡环，可应用于推进剂贮箱中箱底与筒段的对接，需要说明的是，在非圆球面箱底(例如椭球形箱底)的贮箱中，如图2所示，经过对箱底过渡区域复杂载荷工况的分析，当模数大于1.414时，在椭球赤道线上方有环向应力从拉伸应力m到压缩应力n转变的转折点P。贮箱筒段与箱底的过渡区在内压作用下的局部环向应力变现为压缩应力n，在应力的作用下，极有可能导致过渡区发生皱折而造成贮箱结构的局部失稳。为避免这种问题的产生，降低箱底结构边缘应力的影响，本发明的贮箱过渡环从增强环向刚度入手，提供了一种可有效抵抗结构弯曲、提高过渡区域的变形协调能力的过渡环。图3中示出了本发明一种实施方式中贮箱过渡环的剖面结构图。

在本实施方式中，贮箱过渡环为环状结构，其剖面结构如图3所示，包括一体式连接的直段部和曲段部2，曲段部2的一端与箱底连接，另一端与直段部的内壁相切连接。本实施方式中，直段部包括从上至下依次一体式连接的第一直段I、第二直段II和第三直段III，曲段部2的另一端与第二直段II的内壁相切连接，从而使得直段部和曲段部2一体形成近似Y型环的结构。

曲段部2根据箱底的曲率设置为对应的曲率，例如在本实施方式中，曲段部2与箱底焊接后，两者形成完整的椭球面的结构，曲段部2的内壁上成型有环绕过渡环一周朝向过渡环内侧延伸的内横梁3。根据上述原理，在曲段部2与箱底形成的椭球面结构上，在椭球赤道线上方有环向应力从拉伸应力到压缩应力转变的转折点P，根据不同载荷组合(内压、轴压、弯矩、剪力、低温、高温、集中力等)的计算，将转折点P收敛到赤道线上方80mm～120mm的范围内。内横梁3在贮箱轴向方向上位于转折点P上下120mm的范围内，即以转折点P所在轴向位置为零点，内横梁3的设置范围可以为-120mm～120mm之间。而在本实施方式中，内横梁3在贮箱轴向方向上的位置优选为转折点P的位置处，转折点P位置存在着受力环境的突变，因此是结构的薄弱点，易出现失稳破坏，从而将内横梁设置在转折点P位置处，有效增强转折点P位置处的环向刚度，提高结构稳定性。

如图3所示，内横梁3为水平方向设置，使得过渡区域环形刚度更好，内横梁3在贮箱径向上的宽度为20～25mm，使得过渡环在加工时，内横梁3结构包络在过渡环锻件毛坯中，结构形式的变化不影响原始毛坯的订购，节省成本。再有，对于防晃阻尼板的安装，传统过渡环需要通过电焊或角焊等方式对阻尼板进行安装，即需要在内壁上焊接多个环绕一周的支架结构，从而对防晃阻尼板进行安装，在本实施方式中，防晃阻尼板的安装可通过内横梁3实现，可利用焊接或螺栓连接等多种手段将阻尼板安装在内横梁3结构上，操作简单易行，可靠性更高。内横梁3的厚度可以根据结构刚度要求和机加工极限能力而定，本发明对此不作限制。

如图3所示，第一直段I的上端用于焊接短壳，使得过渡环结构的焊缝承载能力更高。第三直段III的下端用于焊接筒段，从而实现与筒段的连接，需要说明的是，传统的过渡环与筒段的焊接段是等厚结构的，焊缝对接厚度按照焊缝削弱系数计算得到，在焊缝热影响区上下方的材料性能并未得到充分的利用，是属于偏保守的设计。在本发明的过渡环中，第三直段III上开设有使第三直段III的壁厚在沿焊接面到另一端的方向上逐渐减薄的应力扩散结构4，在本实施方式中，如图3中所示，第三直段III为三段阶梯状的结构，第三直段III的下端为焊接面，越靠近焊接面的区域因受热冲击导致材料性能降低的影响越大，因此从焊接面至上，三段阶梯状的壁厚逐渐减薄，既可以补偿边缘焊接区的热应力影响，同时不过分增加构件的质量。

在本实施方式中，在贮箱轴向方向上，位于内横梁3与应力扩散结构4之间的曲段部2的内壁上开设有抗弯槽5，抗弯槽5为环状结构。本发明在过渡区径向变形受约束最大的区域，对结构进行削薄处理形成抗弯槽5，从而增加结构的柔度和变形能力，箱底受压后向外膨胀变形时，由于抗弯槽5的存在，筒段对箱底的变形限制有所松弛，故更容易适应较大的内压载荷作用。

考虑到贮箱在上下端面还承受轴压或集中力载荷，这种载荷对于结构的轴向弯曲刚度要求较高，在过渡环部位是载荷耦合的区域，因此本发明的贮箱过渡环在直段部的外壁上设有若干沿贮箱轴向的加强筋，从而提高结构的轴向承载能力。如图3所示，在本实施方式中，加强筋由多个在直段部的外壁上铣削出的加强筋网格6依次排列形成，相当于轴向加筋，即相邻两个加强筋网格6之间即形成一加强筋。由于加强筋结构的存在，使得整体结构的惯性矩增加30％，结构抗失稳能力增强，同时减轻结构重量，有效提高结构的承载效率。

上述对本实施方式的过渡环的结构进行了说明，过渡环在加工时，首先整体环锻件按照外形尺寸进行机加工，其次型材结构进行机加工后拉弯成1/2或1/4圆，然后对接搅拌摩擦焊接在一起。本实施方式的过渡环通过多种局部结构降低弯曲应力和焊接热应力，同时外网格减轻结构重量，整体结构对耦合载荷的承载效率更高，尤其是对于集中力结构有扩散的路径。过渡环的结构尺寸可根据箱底形面的不同(如直径、椭球模数、过渡段的高度)进行微小的调整。

在上述实施方式的基础上，本发明的过渡环还可以有其它可替代的实施方式。

在一个替代的实施方式中，箱底形状不局限于椭球形，基于本发明过渡环原理，箱底形状还可是其它任何适于实施的形状，例如碟形箱底，曲段部2根据碟形箱底的曲率设置为对应的曲率，从而实现对结构环向刚度的增强。

在另一个替代的实施方式中，内横梁3为分体式结构，其与曲段部2可通过角焊或螺接的方式连接。便于对传统过渡环进行改进，提高通用性，降低实施成本。

在再一个替代的实施方式中，直段部与曲段部2形成近似叉型环的结构，既相较于传统的叉型环进行结构改进和设置，实现本发明过渡环结构的多用途。

在再一个替代的实施方式中，在满足对焊接区域热应力分散要求的情况下，应力分散结构可设置为其它任何适于实施的结构，本发明不在赘述。

第二方面，本发明还提供了一种推进剂贮箱，包括上述的过渡环、箱底、以及筒段，过渡环的曲段部2的上端与箱底焊接连接，筒段与贮箱过渡环的第三直段III的下端焊接，筒段的焊接端设有与第三直段III上的应力扩散结构4沿焊接面对称开设的焊接结构。例如在图3所示的实施方式中，筒段上沿焊接面向另一端方向上开设有壁厚逐渐减薄的三段阶梯状的焊接结构，筒段上的焊接结构与第三直段III上的应力分散结构对应，这种对称双级式焊接剖面结构可以最大化地降低焊接区域的弯曲应力同时减轻构件的质量，充分利用材料性能。

本发明提供的贮箱过渡环和推进剂贮箱，结构可靠性高、变形协调能力高，功能集成度高，后期装配对接简易，且结构适应范围广，可以作为标准结构满足不同载荷环境、不同底形面的贮箱需求，实用性强。

显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (15)

1.一种贮箱过渡环，其特征在于，

用于箱底和筒段的对接，所述过渡环为环状结构，其包括一体式连接的直段部和曲段部(2)，所述曲段部(2)一端与箱底连接，另一端与所述直段部的内壁连接，所述曲段部(2)的内壁上设有朝向所述过渡环内侧延伸的内横梁(3)，在所述曲段部(2)上具有环向应力从拉伸应力到压缩应力转变的转折点，所述内横梁(3)位于靠近所述转折点的位置处。

2.根据权利要求1所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述内横梁(3)在贮箱轴向方向上位于距离所述转折点-120mm～120mm的位置。

3.根据权利要求2所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述内横梁(3)在贮箱轴向方向上位于所述转折点的位置处。

4.根据权利要求3所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述内横梁(3)在贮箱径向方向上的宽度为20～25mm。

5.根据权利要求1至4任一项所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述内横梁(3)与所述曲段部(2)的内壁一体式连接。

6.根据权利要求1至4任一项所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述直段部包括与所述曲段部(2)的所述另一端相切连接的第二直段(II)，和一端与所述第二直段(II)一体式连接、另一端用于与筒段焊接的第三直段(III)，所述第三直段(III)的外径不大于所述第二直段(II)的外径。

7.根据权利要求6所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述第三直段(III)上开设有使所述第三直段(III)的壁厚在沿焊接端向另一端方向上逐渐减薄的应力扩散结构(4)。

8.根据权利要求7所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述应力扩散结构(4)在所述第三直段(III)的内壁和外壁上对称设置。

9.根据权利要求8所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述应力扩散结构(4)为多段阶梯状结构。

10.根据权利要求6所述的贮箱过渡环，其特征在于，

在所述贮箱轴向方向上，位于所述内横梁(3)与所述应力扩散结构(4)之间的所述曲段部(2)的内壁上环形开设有抗弯槽(5)。

11.根据权利要求6所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述直段部还包括一端与所述第二直段(II)一体式连接的第一直段(I)。

12.根据权利要求1所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述直段部的外壁上设有若干沿所述贮箱轴向的加强筋。

13.根据权利要求12所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述加强筋由多个在所述直段部的外壁上削除材料形成的加强筋网格(6)依次排列形成。

14.根据权利要求1所述的贮箱过渡环，其特征在于，

所述箱底为椭球形箱底或碟形箱底。

15.一种推进剂贮箱，其特征在于，包括：

箱底；

根据权利要求1至14任一项所述的贮箱过渡环，所述贮箱过渡环的曲段部(2)的一端与所述箱底焊接；以及

筒段，与所述贮箱过渡环的第三直段(III)的一端焊接，所述筒段的焊接端设有与所述第三直段(III)上的应力扩散结构(4)沿焊接面对称开设的焊接结构。

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