CN114354107A - 一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及航天高压气瓶技术领域，具体而言，涉及一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，包括以下步骤：步骤1：将试验气瓶和支架整体安装到振动台上；步骤2：在试验气瓶和支架上布置加速度传感器；步骤3：将试验气瓶与试验系统连接；步骤4：对试验气瓶进行加压；步骤5：依次进行X方向正弦振动和随机振动试验；步骤6：对试验气瓶进行泄压；步骤7：重复步骤2‑6，分别进行Y方向和Z方向的正弦振动和随机振动试验。本申请可在钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶研制完成后，对其在地面上开展力学环境试验，通过模拟飞行环境的振动载荷，验证气瓶的在轨性能，防止气瓶发生因振动载荷引起的失效，避免航天器在轨运行中发生故障。
Description
技术领域
本申请涉及航天高压气瓶技术领域，具体而言，涉及一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法。
背景技术
钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶是一种适用于航天器的压力容器，用于航天器推进分系统，储存并向推进剂贮箱供应高压气体。
金属内衬复合材料气瓶有重量轻、结构效率高、耐腐蚀等优点，且具有破裂前先泄漏(LBB)疲劳失效模式，其中金属内衬承载结构载荷较小，主要作用是防止所装载的高压气体泄露，所以内衬较薄，气瓶承载效率较高。航天器飞行时，复合材料气瓶的失效主要由振动载荷产生的疲劳造成，一旦失效，则会造成推进系统功能降低或失效，进一步影响航天器在轨寿命。因此为保证气瓶满足航天器运行环境下的力学要求，防止振动载荷引起的失效，必须在气瓶研制完成后进行力学环境试验验证，模拟飞行环境的振动载荷，避免航天器在轨运行中发生故障。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，能够验证钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶在力学环境下的承载性能，避免航天器在轨运行中气瓶发生疲劳失效。
为了实现上述目的，本申请提供了一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，包括以下步骤：步骤1：将试验气瓶安装在支架上，然后将试验气瓶和支架整体安装到振动台上；步骤2：在试验气瓶和支架上布置加速度传感器；步骤3：将试验气瓶与试验系统连接；步骤4：对试验气瓶进行加压；步骤5：根据试验条件依次进行X方向正弦振动和随机振动试验；步骤6：对试验气瓶进行泄压；步骤7：重复步骤2-6，根据试验条件分别进行Y方向和Z方向的正弦振动和随机振动试验。
进一步的，在步骤1中，试验气瓶与支架通过密封端法兰进行固定连接，试验气瓶的气口端在Z方向具有自由度。
进一步的，在步骤2中，加速度传感器包括控制点加速度传感器和响应点加速度传感器。
进一步的，在步骤3中，试验系统包括气源及阀门、截止阀、安全阀、压力表以及防护罩。
进一步的，在步骤4中，试验气瓶的加压方式为分级加压。
进一步的，在步骤6中，试验气瓶泄压的速率≤5MPa/min。
进一步的，在步骤5和步骤7中，正弦振动和随机振动试验过程包括以下步骤：步骤a：进行正弦低频扫描，扫描频率5Hz-2000Hz，扫描量级0.5g，扫描速率2oct/min；步骤b：验收件贮箱不进行正弦振动试验，鉴定件贮箱依据鉴定级试验条件进行正弦振动试验；步骤c：鉴定件贮箱按照步骤a的条件进行第二次正弦低频扫描，将扫描结果与步骤a中的结果进行比对；步骤d：验收件贮箱依据验收级试验条件进行随机振动试验，鉴定件贮箱依据鉴定级试验条件进行随机振动试验；步骤e：按照步骤a的条件再次进行正弦低频扫描，将扫描结果与步骤c中的结果进行比对。
本发明提供的一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，具有以下有益效果：
本申请可在钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶研制完成后，对其在地面上开展力学环境试验，通过模拟飞行环境的振动载荷，验证气瓶的在轨性能，防止气瓶发生因振动载荷引起的失效，避免航天器在轨运行中发生故障。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法的流程示意图；
图2是根据本申请实施例提供的一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法的支架示意图；
图3是根据本申请实施例提供的一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法的传感器布置示意图；
图4是根据本申请实施例提供的一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法的A-A的剖视图；
图5是根据本申请实施例提供的一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法的试验系统的示意图；
图6是根据本申请实施例提供的力学环境正弦振动和随机振动试验流程及结果判定示意图；
图中：1-气口端支架、2-密封端支架、3-紧固件、4-气源及阀门、5-截止阀、6-安全阀、7-压力表、8-防护罩、9-支架、10-振动台。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，本申请提供了一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，包括以下步骤：步骤1：将试验气瓶安装在支架9上，然后将试验气瓶和支架9整体安装到振动台10上；步骤2：在试验气瓶和支架9上布置加速度传感器；步骤3：将试验气瓶与试验系统连接；步骤4：对试验气瓶进行加压；步骤5：根据试验条件依次进行X方向正弦振动和随机振动试验；步骤6：对试验气瓶进行泄压；步骤7：重复步骤2-6，根据试验条件分别进行Y方向和Z方向的正弦振动和随机振动试验。
具体的，本申请实施例提供的钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法通过验收级和鉴定级两种不同的试验量级，在气瓶沿航天器的三个方向下开展带压试验，采用传感器收集试验曲线，从而对气瓶在轨性能进行验证，保证气瓶满足航天器运行环境下的力学要求，避免航天器在轨运行中气瓶发生疲劳失效。本申请实施例中，试验气瓶优选航天球柱形复合材料气瓶或者球形复合材料气瓶。
进一步的，如图2所示，在步骤1中，试验气瓶与支架9通过密封端法兰进行固定连接，试验气瓶的气口端在Z方向具有自由度。支架9优选为专用振动试验工装，包括密封端支架2和气口端支架1，支架9底部具有与振动台10对应的安装接口，首先将试验气瓶安装在密封端支架2上，使用螺栓、垫圈和弹簧垫圈等紧固件3通过密封端法兰进行固定连接，再将试验气瓶的气口安置在气口端支架1上，约束试验气瓶X和Y方向的位移，使气瓶在Z方向具有一定的自由度，然后将装有试验气瓶的支架9整体安装到振动台10上，安装时使试验气瓶X轴方向与振动台10的振动方向一致。
进一步的，如图3-4所示，在步骤2中，加速度传感器包括控制点加速度传感器和响应点加速度传感器。在本申请实施例中，加速度传感器最少布置8个，采用4个传感器平均控制的方式作为控制点，布置在试验气瓶的法兰与支架9安装的位置，其余4个传感器为响应测量，其中布置在试验气瓶的密封端1个，试验气瓶的柱端1个，试验气瓶的气口端1个以及振动台10处1个。
进一步的，如图5所示，在步骤3中，试验系统包括气源及阀门4、截止阀5、安全阀6、压力表7以及防护罩8。试验系统包括依次连接的气源及阀门4、截止阀5、安全阀6以及压力表7，将试验气瓶与加压管路连接后，接入试验系统，并且使用防护罩8对试验气瓶进行保护。
进一步的，在步骤4中，试验气瓶的加压方式为分级加压。试验气瓶的加压按0MPa-5MPa-10MPa-15MPa-20MPa-24MPa-28MPa-30MPa分级进行，0MPa-20MPa之间，每级停留1min，加压速率小于或等于3MPa/min；20MPa以上，每级停留3min，加压速率小于或等于1MPa/min。当试验气瓶内压力达到试验压力30MPa时关闭截止阀5，并将截止阀5与加压管路断开，将试验气瓶在试验压力下静置30min，静置结束后，检查气瓶状态是否有异常变化，若无异常，进行步骤5。
进一步的，在步骤6中，试验气瓶泄压的速率≤5MPa/min。X方向的振动试验结束后，将气瓶内压力泄至0MPa，泄压速率小于或等于5MPa/min。
进一步的，如图6所示，在步骤5和步骤7中，正弦振动和随机振动试验过程包括以下步骤：步骤a：进行正弦低频扫描，扫描频率5Hz-2000Hz，扫描量级0.5g，扫描速率2oct/min；步骤b：验收件贮箱不进行正弦振动试验，鉴定件贮箱依据鉴定级试验条件进行正弦振动试验；步骤c：鉴定件贮箱按照步骤a的条件进行第二次正弦低频扫描，将扫描结果与步骤a中的结果进行比对；步骤d：验收件贮箱依据验收级试验条件进行随机振动试验，鉴定件贮箱依据鉴定级试验条件进行随机振动试验；步骤e：按照步骤a的条件再次进行正弦低频扫描，将扫描结果与步骤c中的结果进行比对。
具体的，先对试验气瓶进行X方向的正弦振动和随机振动试验，主要为了得到试验气瓶的特征频率，步骤a，进行X方向的正弦低频扫描，扫描频率5Hz～2000Hz，扫描量级0.5g，扫描速率2oct/min；步骤b，验收件贮箱不进行正弦振动试验，鉴定件贮箱依据鉴定级试验条件进行正弦振动试验；步骤c，鉴定件贮箱X方向的正弦振动试验结束后，按照步骤a的条件进行第二次正弦低频扫描，将扫描结果与步骤a中的结果进行比对，若振动前后两次特征扫描结果基本一致说明试验合格，继续进行随机振动试验；步骤d，验收件贮箱依据验收级试验条件进行随机振动试验，鉴定件贮箱依据鉴定级试验条件进行随机振动试验；步骤e，X方向的随机振动试验结束后，再次按照步骤a的条件进行正弦低频扫描，将扫描结果与步骤c中的结果进行比对，若振动前后两次特征扫描结果基本一致说明试验合格。X方向试验结束后，改变试验气瓶在支架9上的安装方向，使试验气瓶Y轴方向与振动台10的振动方向一致，重复步骤2-6，进行Y方向的正弦振动和随机振动试验；同理，Y方向试验结束后，再次改变试验气瓶在支架9上的安装方向，使试验气瓶Z轴方向与振动台10的振动方向一致，重复步骤2-6，进行Z方向的正弦振动和随机振动试验。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将试验气瓶安装在支架上，然后将试验气瓶和支架整体安装到振动台上；
步骤2：在试验气瓶和支架上布置加速度传感器；
步骤3：将试验气瓶与试验系统连接；
步骤4：对试验气瓶进行加压；
步骤5：根据试验条件依次进行X方向正弦振动和随机振动试验；
步骤6：对试验气瓶进行泄压；
步骤7：重复步骤2-6，根据试验条件分别进行Y方向和Z方向的正弦振动和随机振动试验。
2.如权利要求1所述的钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，其特征在于，在步骤1中，试验气瓶与支架通过密封端法兰进行固定连接，试验气瓶的气口端在Z方向具有自由度。
3.如权利要求1所述的钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，其特征在于，在步骤2中，加速度传感器包括控制点加速度传感器和响应点加速度传感器。
4.如权利要求1所述的钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，其特征在于，在步骤3中，试验系统包括气源及阀门、截止阀、安全阀、压力表以及防护罩。
5.如权利要求1所述的钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，其特征在于，在步骤4中，试验气瓶的加压方式为分级加压。
6.如权利要求1所述的钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，其特征在于，在步骤6中，试验气瓶泄压的速率≤5MPa/min。
7.如权利要求1所述的钛金属内衬复合层缠绕高压气瓶力学环境试验方法，其特征在于，在步骤5和步骤7中，正弦振动和随机振动试验过程包括以下步骤：
步骤a：进行正弦低频扫描，扫描频率5Hz-2000Hz，扫描量级0.5g，扫描速率2oct/min；
步骤b：验收件贮箱不进行正弦振动试验，鉴定件贮箱依据鉴定级试验条件进行正弦振动试验；
步骤c：鉴定件贮箱按照步骤a的条件进行第二次正弦低频扫描，将扫描结果与步骤a中的结果进行比对；
步骤d：验收件贮箱依据验收级试验条件进行随机振动试验，鉴定件贮箱依据鉴定级试验条件进行随机振动试验；
步骤e：按照步骤a的条件再次进行正弦低频扫描，将扫描结果与步骤c中的结果进行比对。
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