CN110044595B - 一种基于电测技术的航天线式分离环结构强度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于电测技术的航天线式分离环结构强度测量方法。首先，建立线式分离环模型，有限元分析航天线式分离环结构应力场，获得应力变化较为平缓区域。然后，在应力变化平缓区域内设计并布置电测应变测点阵列，并开展预加载试验获得测点阵列的应变值，依据应变值的平缓程度检验测点阵列设计的有效性。正式加载试验获得结构应变测点数据，根据电测应变测点数据计算得到航天线式分离环结构关心区域的应力场，实现结构强度评估。本发明基于电测技术，成本低，测量精度高，具有较强实用性，可解决航天线式分离环因结构本身空间狭小和曲面复杂而导致的结构强度难以测量的难题。

Description

一种基于电测技术的航天线式分离环结构强度测量方法

技术领域

本发明属于航天、测量技术领域，涉及一种运载火箭中的级间段分离装置的强度测量方法，尤其涉及一种基于电测技术的航天线式分离环结构强度测量方法。

背景技术

运载火箭飞行过程中的级间段分离是整体设计中十分重要的一个方面。在目前运载火箭的级间段分离设计中，通常采用使线式分离环的径向发生破坏的方法保证多级间段的顺利分离。

线式分离环一般安装在运载火箭的相邻两级中，用于分离抛弃推进剂耗尽级，是分离装置的关键部件。在运载火箭发生分离时，在分离环开口处产生径向破坏进行级间段分离。此外，线式分离环用于连接相邻两级，具有一定的轴向强度，避免环向开口而造成的连接强度不足。

目前，对于分离环的开口尖端应力，因结构本身空间狭小和曲面复杂，故无法通过传统电测技术直接测量得出，进而无法得知危险区域应力分布形式，评估结构强度，最终为该结构的实际应用带来一定程度的安全隐患。由于航天结构的材料及加工成本较高，故通过大量的电测试验建立数据库并不可取。

此外，其它测量技术(如：红外成像技术、数字图像相关技术等为代表的光学测量技术)虽然可通过对比试验件变形前后的光学数据从而得到结构位移、应变等场域结果，但是由于其测量成本较高，对于测量环境较为敏感以及针对于大型试验件的全场测量误差较大等原因也不是最佳选择。

综上所述，目前有必要提出一种能够测量线式分离环结构强度的测试方法，从而面向低成本、易实现以及抗环境干扰的工程需求，实现线式分离环的结构强度评估。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于电测技术的航天线式分离环结构强度测量方法，降低测试成本、提高测试方法普适性。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种基于电测技术的航天线式分离环结构强度测量方法，该测量方法基于测量精度较高的传统电测技术实现，包括以下步骤：

S1：通过有限元分析航天线式分离环结构的应力场，获得预设的应力变化较为平缓区域。

S2：在S1中预设的应力变化平缓区域内设计并布置电测应变测点阵列，并开展预加载试验获得测点阵列的应变值，依据应变值的平缓程度检验测点阵列设计的有效性，判断平缓程度依据如下：

若电测应变测点阵列中，同一轴向方向上的任意两相邻应变测点的应变值相差均超过5％时，则判定此电测应变测点阵列无效，需进行重新设计；否则则判定电测应变测点阵列有效，此时保留应变值相差小于5％的有效测点，用于正式加载测量，去除其余无效测点。

S3：对航天线式分离环结构进行正式加载试验，获得结构有效测点的应变值，根据有效测点的应变值计算得到航天线式分离环结构尖端的应力场，实现结构强度评估。

进一步的，步骤S1所述的航天线式分离环为金属材料，其结构包括多种的分离式结构类型，如：环式分离结构、板式分离结构等。所述的航天线式分离环结构开口深度、开口角度等包括多种形式规格。

进一步的，步骤S2所述的应变测点阵列包括多种形式，如：菱形应变阵列、矩形应变阵列等对称应变阵列，或者按测试需求设计的非对称应变阵列。

进一步的，步骤S3所述的计算方法为：

金属材料在单轴拉伸的工况下具有非线性形式的本构关系，采用公式(1)所述的幂指数方程拟合描述金属材料的单轴本构关系，得到金属材料本构方程中的关键系数：

其中，当σ₂₂≤σ_y时，材料处于弹性阶段，当σ₂₂≥σ_y时，材料处于塑性阶段。E为杨氏模量，ε₂₂为轴向应变(根据有效测点的应变值得到)，σ₂₂为轴向应力，σ_y为材料屈服强度，系数N为材料幂指数形式的单轴本构关系在塑性阶段的系数；

在公式(1)所述本构关系下，以结构尖端应力集中系数K、名义应力σ_n、泊松比μ及材料系数N表达的结构塑性尖端应力

的近似方程，其表达式为：

根据公式(2)可计算得到航天线式分离环结构尖端的应力场。

采用以上方案，针对不同形式的分离结构，利用实际应力变化较为平缓区域的不同形式的有效应变阵列数据，可进行危险区域的应力计算，评估结构强度，测量技术简单，测量效率及精度高，且所述方法基于传统电测技术，可操作性良好。

本发明的效果和益处是：可通过测量应力变化较为平缓区域的应变阵列，进而计算得到危险区域的应力分布，以此来评估结构强度。发明方法的优点在于可采用成本较低、测量技术简单以及测量精度高的传统电测技术，适用于实际工程需求。

附图说明

图1为本发明的操作流程示意图；

图2为线式分离环轴向拉伸工况示意图；

图3(a)为线式分离环截面图；

图3(b)为轴向应力随测量区域位置分布示意图；

图4为线式分离环试验件的局部示意图；

图5为矩形应变阵列的设计示意图；

图6为菱形应变阵列的设计示意图；

图7为危险区域应力计算示意图；A曲线为空心圆点组成的曲线，代表基于试验数据计算得到的轴向应力；B曲线为实心圆点组成的曲线，代表基于有限元分析计算得到的轴向应力；C曲线为空心矩形点组成的曲线，代表基于试验数据计算得到的Mises等效应力；D曲线为实心矩形点组成的曲线，代表基于有限元分析计算得到的Mises等效应力。

图中：1是线式分离环局部区域；2是1的开口区域；3是两虚线所包围的区域，是对1进行数值分析后得到的预设的应力变化较为平缓区域；4是矩形应变阵列；5是菱形应变阵列。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明

对于本说明中的所有图，相同或相对应的元件一般采用相同的数字标记表示。需要指出的是，说明中的所有的图只是对该发明解释说明性的表示，而非本发明不局限于这些表示。此外，图中各部分并非必然按实际比例表示。在某些条件下，那些对了解本发明没有影响或者对其它细节造成影响的细节部分可能会被忽略。

如图2所示本发明以线式分离环在轴向拉伸下的试验测量为是实施例按图1所示流程作出具体说明，具体步骤如下：

S1：通过有限元计算对本试验件轴向拉伸工况进行分析，如图3(a)所示，在线式分离环的不同表面可得到如图3(b)所示的轴向应力随测量区域位置分布图，图中点划线所夹区域则为预设的应力变化较为平缓区，可在其中进行应变阵列的设计布置；

S2：如图4线式分离环试验件的局部区域所示，标记预设的应力变化较为平缓区域3，在其中进行应变阵列设计，将通过两个实施例进行详细说明；

实施例1：图5矩形应变阵列的设计示意图

图5中4采用了矩形应变阵列设计，开展预加载试验时，当预设区域在实际应力变化较为平缓区域内时(应变测点值符合如图3(b)所示的分布规律)，即所设计的应变阵列全部为有效应变阵列。矩形应变阵列设计可保证，

预设的应力变化较为平缓区域在实际应力变化较为平缓区域内时，采用矩形应变阵列可使测点最大化，获得足够多的有效测量数据用于数据分析及处理中，提高试验测量精度。

实施例2：图6菱形应变阵列的设计示意图

图6中5采用了菱形应变阵列设计，开展预加载试验时，当预设区域不在实际应力变化较为平缓区域内时，即所设计的应变阵列部分为有效应变阵列，

依据步骤S2所述方法，对同一轴线测点进行有效判定，针对于本实施例中的菱形应变阵列则对中间轴线的应变测点进行有效判定(测点数目最多)，当存在有效应变测点时，对于线式分离环结构，判定为有效测点的同一周向的应变测点均为有效测点，其余测点均为无效测点。在正式试验中，特别是在大型试验中，菱形电测应变阵列可在保证数据足够的前提下，减少应变测点的布置，提高试验测量精效率。

S3：正式加载试验获得结构应变测点数据，依据电测应变测点数据，并根据下列公式进行计算：

首先通过正式加载试验得到一个试验曲线，再通过公式(1)对试验曲线进行拟合得到公式(1)中的所有系数，得到N的值；然后，将N值应用于公式(2)，获得航天线式分离环结构关心区域(开口尖端)的应力场。如图7危险区域应力计算示意图所示，可得到数值分析及试验数据计算中，随名义应力(轴向载荷与开口后截面面积间的比值)不断增加时，轴向应力和Mises等效应力的变化情况，依据实际工程需求进行安全监测，实现结构强度评估。

Claims (3)

1.一种基于电测技术的航天线式分离环结构强度测量方法，该测量方法基于传统电测技术实现，其特征在于以下步骤：

S1：通过有限元分析航天线式分离环结构的应力场，获得预设的应力变化较为平缓区域；所述的航天线式分离环为金属材料；

S2：在S1中预设的应力变化平缓区域内设计并布置电测应变测点阵列，并开展预加载试验获得测点阵列的应变值，依据应变值的平缓程度检验测点阵列设计的有效性；

S3：对航天线式分离环结构进行正式加载试验，获得结构有效测点的应变值，根据有效测点的应变值计算得到航天线式分离环结构尖端的应力场，实现结构强度评估；所述的计算方法为：

采用公式(1)幂指数方程拟合描述金属材料的单轴本构关系，得到金属材料本构方程中的关键系数：

其中，当σ₂₂≤σ_y时，材料处于弹性阶段，当σ₂₂≥σ_y时，材料处于塑性阶段；E为杨氏模量，ε₂₂为轴向应变，σ₂₂为轴向应力，σ_y为材料屈服强度，系数N为材料幂指数形式的单轴本构关系在塑性阶段的系数；

在公式(1)所述本构关系下，以结构尖端应力集中系数K、名义应力σ_n、泊松比μ及材料系数N表达的结构塑性尖端应力

的近似方程，其表达式为：

根据公式(2)计算得到航天线式分离环结构尖端的应力场。

2.根据权利要求1所述的一种基于电测技术的航天线式分离环结构强度测量方法，其特征在于，所述的步骤S2中判断平缓程度依据为：若电测应变测点阵列中，同一轴向方向上的任意两相邻应变测点的应变值相差均超过5％时，则判定此电测应变测点阵列无效，需进行重新设计；否则则判定电测应变测点阵列有效，此时保留应变值相差小于5％的有效测点，用于正式加载测量，去除其余无效测点。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于电测技术的航天线式分离环结构强度测量方法，其特征在于，步骤S2所述的应变测点阵列包括对称应变阵列，或者按测试需求设计的非对称应变阵列。

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