CN110222355A - 一种考虑热力耦合的低温推进剂贮箱防晃板分析方法 - Google Patents

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吴浩
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芮兴
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朱振涛
王斌
徐卫秀
张健
彭伟斌
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Abstract

本发明公开的属于贮箱技术领域,具体为一种考虑热力耦合的低温推进剂贮箱防晃板分析方法,所述分析方法包括三大步骤:贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析、贮箱结构充压过程变形量分析和贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析,三大步骤依次按顺序进行。通过本分析方法可以有效预测在经过低温液体加注过程、地面充压过程和液面晃动载荷下的防晃板强度,使用范围更加广泛,可适用于大直径低温贮箱环形防晃板扇形防晃板,识别贮箱箱壁在低温收缩或增压膨胀时对防晃板的拉扯变形,提前预示防晃板面扭曲和箱壁焊点脱焊和折痕的风险、考虑热传导下结构的变形和识别传热过程中发生的不协调变形。

Description

一种考虑热力耦合的低温推进剂贮箱防晃板分析方法
技术领域
本发明公开的属于贮箱结构技术领域,具体为一种考虑温度-弹性动态耦合效应的低温推进剂贮箱防晃板强度分析方法。
背景技术
防晃结构安装在液体贮箱内部,是用于抑制液体晃动运动和改变晃动频率的一种机械装置,防止发生液体晃动频率与控制频率耦合现象,新一代运载火箭采用低温推进剂,贮箱直径从3.5m跨越到5m,采用传统直接作用压差载荷进行直接分析手段不考虑贮箱地面充压变形及推进剂加注时的低温变形,分析结果不能覆盖贮箱内部,防晃板服役所有工况根据不同的防晃结构目前有两种比较常用的方法:1、整体环向防晃板分析方法:传统整体环向防晃板结构一般作用于直径较小的常温贮箱内部,是防晃装置与贮箱结合元件,整体环向防晃结构分布在贮箱筒段四周,在分析中一般采用载荷直接加载的分析方法,一方面贮箱直径小充压后引起的不均匀变形较小,另一方面防晃板的环向刚度较直径大的结构小,防晃板连接部分可以适应不协调变形能力强。仅考虑压差的作用效果即可作为强度及稳定性判断依据。2、非对称型扇形防晃板:此类结构零散布置在箱体横截面上,对箱体的轴线不对称,板面呈现半圆扇形,目前多用于直径3.35米直径的贮箱结构内部,连接方式通过撑板与贮箱壁板焊接连接。对于扇形防晃结构由于其单个体量较小,作用范围比环向防晃结构小得多,整体连接刚度强,贮箱结构的温度及充压不协调变形对结构影响小,一般也仅采用压差载荷进行结构校核。新一代运载火箭贮箱内部布置环向防晃结构,与以往相比面临低温推进剂加注过程中的热传导问题,在加注中箱内热环境变化200℃以上,,加注中液面以上的防晃结构由于复杂传热而出现不均匀的冷缩,导致防晃面板失稳;在充压后,由于箱体刚度不同,变形分布不均匀在防晃结构与贮箱连接处以及放晃结构搭接部分会出现变形不协调问题,会出现防晃板面失稳褶皱,或者焊点及连接结构失效。若防晃结构失效,不仅无法抑制液体晃动,脱落的焊点、螺栓等会在箱内形成多余物,导致飞行失败,采用单一压差载荷校核,无法识别以上问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑温度-弹性动态耦合效应的低温推进剂贮箱防晃板强度分析方法,用以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种考虑温度-弹性动态耦合效应的低温推进剂贮箱防晃板强度分析方法,所述强度分析方法包括三大步骤:贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析、贮箱结构充压过程变形量分析和贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析,三大步骤依次按顺序进行,
贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析包括以下步骤:
步骤1、首先分析对贮箱结构进行液面加注低温液体时的热传导而引起的收缩变形数据,掌握结构低温收缩量,以及随低温加注液体而变化的传导速率;
步骤2、根据以上贮箱低温加注时热环境条件进行有限元热传导特性建模分析,明确防晃板位置在加注过程中的温差分布;
贮箱结构充压过程变形量分析包括以下步骤:
步骤1、对贮箱进行充压,在贮箱充压后,贮箱刚度变化会产生不均匀变形,尤其在径向位移上有明显的突变;
步骤2、采用有限元方法,对贮箱结构进行内压变形分析,并考虑径向变形沿壁面长度方向的分布情况,掌握对应防晃板安装位置的径向位移分布。
贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析包括以下步骤:
步骤1、在贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析和贮箱结构充压过程变形量分析的基础上,开展防晃结构的具体设计,取得分块数量、间隙以及防晃板靠壳体一侧,沿半径方向进行开槽优化。
步骤2、防晃结构载荷来源与液体晃动,在飞行过程中,上下表面产生液压差,载荷大小与飞行过载、时序、液体密度等方面均有关系,对支撑结构刚度进行设计,保证结构稳定性满足要求。
步骤3、采用有限元分析方法,将贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析中的温度载荷以及贮箱结构充压过程变形量分析中的充压不协调变形作为载荷进行加载,并施加压差载荷对防晃结构的强度及稳定性分析。
进一步地,其特征在于,在贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析过程中,低温加注过程对于贮箱结构一方面受到低温液体加注时的对流热条件计算公式为:
内侧流体被加热q=h(tw-tf)
外侧流体被冷却q=h(tf-tw)
其中q为热流密度,h为表面传导系数,tw、tf分别为壁面温度和流体温度;
箱体内外温差导致的传导热条件计算公式为:
热传导计算基本公式:
其中Φ为热流量;λ为比例系数,即热导率;负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反;A为面积。
进一步地,其特征在于,在贮箱结构充压过程变形量分析过程中,贮箱等效厚度和等效弹性模量可通过下列公式计算:
β=[3.375α(1+δ)2+(1+1.125α)(1+1.125αδ2)]1/2
其中,ts为蒙皮厚度,tr为筋条宽度,br为筋条高度,H为筋条间距。
进一步地,其特征在于,在贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析过程中,防晃板分块数量安装位置及开槽位置初步估算通过以下公式进行计算:
D≤∑i=1,2...nΔdr+∑i=1,2...nΔdt
其中,Δdr为分块间隙,Δdt为开槽间隙,D是贮箱整体径向收缩变形。
进一步地,其特征在于,在贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析过程中,所述贮箱防晃结构分为支撑结构以及防晃面板,防晃面板与支撑结构铆钉连接,支撑结构与贮箱内壁焊接。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明可以有效预测在经过低温液体加注过程、地面充压过程和液面晃动载荷下的防晃板强度,使用范围更加广泛,可适用于大直径低温贮箱环形防晃板扇形防晃板,识别贮箱箱壁在低温收缩或增压膨胀时对防晃板的拉扯变形,提前预示防晃板面扭曲和箱壁焊点脱焊和折痕的风险、考虑热传导下结构的变形和识别传热过程中发生的不协调变形。
附图说明
图1为本发明流程示意图;
图2为本发明建模分析整体温度分布示意图;
图3为本发明建模分析防晃板温度分布示意图;
图4为本发明建模分析防晃板位置在加注过程中典型点温度分布示意图;
图5为本发明贮箱内部充压径向位移变形分布示意图;
图6防晃板连接处进行局部结构强度校核示意图;
图7防晃板在设计载荷下稳定性校核示意图。
图中:1贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析、2贮箱结构充压过程变形量分析、3贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7,本发明提供一种技术方案:一种考虑温度-弹性动态耦合效应的低温推进剂贮箱防晃板强度分析方法,所述强度分析方法包括三大步骤:贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析1、贮箱结构充压过程变形量分析2和贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析3,三大步骤依次按顺序进行,
贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析1包括以下步骤:
步骤1、首先分析对贮箱结构进行液面加注低温液体时的热传导而引起的收缩变形数据,掌握结构低温收缩量,以及随低温加注液体而变化的传导速率;
步骤2、根据以上贮箱低温加注时热环境条件进行有限元热传导特性建模分析,明确防晃板位置在加注过程中的温差分布;
贮箱结构充压过程变形量分析2包括以下步骤:
步骤1、对贮箱进行充压,在贮箱充压后,贮箱刚度变化会产生不均匀变形,尤其在径向位移上有明显的突变;
步骤2、采用有限元方法,对贮箱结构进行内压变形分析,并考虑径向变形沿壁面长度方向的分布情况,掌握对应防晃板安装位置的径向位移分布。
贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析3包括以下步骤:
步骤1、在贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析和贮箱结构充压过程变形量分析的基础上,开展防晃结构的具体设计,取得分块数量、间隙以及防晃板靠壳体一侧,沿半径方向进行开槽优化。
步骤2、防晃结构载荷来源与液体晃动,在飞行过程中,上下表面产生液压差,载荷大小与飞行过载、时序、液体密度等方面均有关系,对支撑结构刚度进行设计,保证结构稳定性满足要求。
步骤3、采用有限元分析方法,将贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析中的温度载荷以及贮箱结构充压过程变形量分析中的充压不协调变形作为载荷进行加载,并施加压差载荷对防晃结构的强度及稳定性分析。
进一步地,其特征在于,在贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析1 过程中,低温加注过程对于贮箱结构一方面受到低温液体加注时的对流热条件计算公式为:
内侧流体被加热q=h(tw-tf)
外侧流体被冷却q=h(tf-tw)
其中q为热流密度,h为表面传导系数,tw、tf分别为壁面温度和流体温度;
箱体内外温差导致的传导热条件计算公式为:
热传导计算基本公式:
其中Φ为热流量;λ为比例系数,即热导率;负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反;A为面积。
进一步地,其特征在于,在贮箱结构充压过程变形量分析2过程中,贮箱等效厚度和等效弹性模量可通过下列公式计算:
β=[3.375α(1+δ)2+(1+1.125α)(1+1.125αδ2)]1/2
其中,ts为蒙皮厚度,tr为筋条宽度,br为筋条高度,H为筋条间距。
进一步地,其特征在于,在贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析3 过程中,防晃板分块数量安装位置及开槽位置初步估算通过以下公式进行计算:
D≤∑i=1,2...nΔdr+∑i=1,2...nΔdt
其中,Δdr为分块间隙,Δdt为开槽间隙,D是贮箱整体径向收缩变形。
进一步地,其特征在于,在贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析3 过程中,所述贮箱防晃结构分为支撑结构以及防晃面板,防晃面板与支撑结构铆钉连接,支撑结构与贮箱内壁焊接。
工作原理:首先对贮箱及防晃结构进行整体二维热分析,掌握计算低温液体在结构中温度变化,接着根据温度分布对贮箱结构进行加注过程的位移量计算分析,分析完毕后接着对贮箱结构进行内压变形量分布计算,明确防晃板安装区域变形量,然后统计防晃结构安装位置由于温度分布变化以及内压充压后结构位移量的合计变化量,统计完毕后根据液体晃动阻尼要求确定防晃结构的设计包络,并依据贮箱结构进行防晃板分块设计,设计完毕后考虑地面及飞行中各个秒态的液体晃动载荷,并对支撑结构进行刚度及稳定性设计,保证工作效率,最后进行防晃结构面板压差载荷、内压不均匀变形以及温度分布下的强度校核及稳定性校核工作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种考虑温度-弹性动态耦合效应的低温推进剂贮箱防晃板强度分析方法,其特征在于:所述强度分析方法包括三大步骤:贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析(1)、贮箱结构充压过程变形量分析(2)和贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析(3),三大步骤依次按顺序进行,
贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析(1)包括以下步骤:
步骤1、首先分析对贮箱结构进行液面加注低温液体时的热传导而引起的收缩变形数据,掌握结构低温收缩量,以及随低温加注液体而变化的传导速率;
步骤2、根据以上贮箱低温加注时热环境条件进行有限元热传导特性建模分析,明确防晃板位置在加注过程中的温差分布;
贮箱结构充压过程变形量分析(2)包括以下步骤:
步骤1、对贮箱进行充压,在贮箱充压后,贮箱刚度变化会产生不均匀变形,尤其在径向位移上有明显的突变;
步骤2、采用有限元方法,对贮箱结构进行内压变形分析,并考虑径向变形沿壁面长度方向的分布情况,掌握对应防晃板安装位置的径向位移分布。
贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析(3)包括以下步骤:
步骤1、在贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析和贮箱结构充压过程变形量分析的基础上,开展防晃结构的具体设计,取得分块数量、间隙以及防晃板靠壳体一侧,沿半径方向进行开槽优化。
步骤2、防晃结构载荷来源与液体晃动,在飞行过程中,上下表面产生液压差,载荷大小与飞行过载、时序、液体密度等方面均有关系,对支撑结构刚度进行设计,保证结构稳定性满足要求。
步骤3、采用有限元分析方法,将贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析中的温度载荷以及贮箱结构充压过程变形量分析中的充压不协调变形作为载荷进行加载,并施加压差载荷对防晃结构的强度及稳定性分析。
2.根据权利要求1所述的一种考虑温度-弹性动态耦合效应的低温推进剂贮箱防晃板强度分析方法,其特征在于:在贮箱结构低温加注过程热传导变形量分析(1)过程中,低温加注过程对于贮箱结构一方面受到低温液体加注时的对流热条件计算公式为:
内侧流体被加热q=h(tw-tf)
外侧流体被冷却q=h(tf-tw)
其中q为热流密度,h为表面传导系数,tw、tf分别为壁面温度和流体温度;
箱体内外温差导致的传导热条件计算公式为:
热传导计算基本公式:
其中Φ为热流量;λ为比例系数,即热导率;负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反;A为面积。
3.根据权利要求1所述的一种考虑温度-弹性动态耦合效应的低温推进剂贮箱防晃板强度分析方法,其特征在于:在贮箱结构充压过程变形量分析(2)过程中,贮箱等效厚度和等效弹性模量可通过下列公式计算:
β=[3.375α(1+δ)2+(1+1.125α)(1+1.125αδ2)]1/2
其中,ts为蒙皮厚度,tr为筋条宽度,br为筋条高度,H为筋条间距。
4.根据权利要求1所述的一种考虑温度-弹性动态耦合效应的低温推进剂贮箱防晃板强度分析方法,其特征在于:在贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析(3)过程中,防晃板分块数量安装位置及开槽位置初步估算通过以下公式进行计算:
D≤∑i=1,2...nΔdr+∑i=1,2...nΔdt
其中,Δdr为分块间隙,Δdt为开槽间隙,D是贮箱整体径向收缩变形。
5.根据权利要求1所述的一种考虑温度-弹性动态耦合效应的低温推进剂贮箱防晃板强度分析方法,其特征在于:在贮箱防晃结构布置及环向补偿有限元分析(3)过程中,所述贮箱防晃结构分为支撑结构以及防晃面板,防晃面板与支撑结构铆钉连接,支撑结构与贮箱内壁焊接。
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