不同溫度環(huán)境下助推器前連桿防熱罩結(jié)構(gòu)承載能力研究

李洪飛 楊光偉 項(xiàng) 陽(yáng)

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不同溫度環(huán)境下助推器前連桿防熱罩結(jié)構(gòu)承載能力研究

李洪飛 楊光偉 項(xiàng) 陽(yáng)

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

以某運(yùn)載器助推前連桿防熱罩為研究對(duì)象，建立了熱力耦合分析數(shù)學(xué)模型。利用ANSYS有限元軟件對(duì)不同溫度下助推器前連桿防熱罩進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度分析計(jì)算，得到防熱罩各部件的應(yīng)力和屈曲形態(tài)等結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度從20℃上升到200℃后，防熱罩承受外壓屈曲載荷從676kPa降低至313kPa，外壓破壞載荷從780kPa降低至165kPa，并分析該結(jié)構(gòu)在工作環(huán)境下的極限承載能力。

防熱罩；強(qiáng)度分析；剛度分析

1 引言

火箭助推器前連桿防熱罩結(jié)構(gòu)是一種特殊的承力結(jié)構(gòu)，主要材料為玻璃鋼，它在火箭實(shí)際飛行過(guò)程中會(huì)承受氣動(dòng)載荷作用，隨著飛行高度、飛行速度的逐步增加，助推器前連桿防熱罩結(jié)構(gòu)所承受的氣動(dòng)熱載荷也隨之發(fā)生變化，由于材料和結(jié)構(gòu)的特殊性，國(guó)內(nèi)涉及該防熱罩結(jié)構(gòu)承載能力方面的研究較少，且它是火箭中一種重要的承載力結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)破壞會(huì)影響火箭最終的飛行結(jié)果，造成難以挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

近年來(lái)，隨著新研制型號(hào)的增多，采用樣件試驗(yàn)的方法難以滿足助推器前連桿防熱罩的研發(fā)周期需求，需要通過(guò)有限元仿真開(kāi)展不同溫度環(huán)境下助推器前連桿防熱罩結(jié)構(gòu)承載能力的研究[1，2]。本文根據(jù)某型號(hào)運(yùn)載火箭前連桿防熱罩的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，得到防熱罩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和屈曲形態(tài)等結(jié)果，確定防熱罩結(jié)構(gòu)的極限承載能力和失效模式。

2 防熱罩有限元模型

2.1 防熱罩載荷

助推器前連桿防熱罩是助推火箭中的一種特殊結(jié)構(gòu)，主要材料為玻璃鋼，在火箭飛行過(guò)程中起到防熱作用。該結(jié)構(gòu)采用的是蒙皮鉚接結(jié)構(gòu)，形狀為圓弧狀，直徑為2000mm，在飛行過(guò)程中蒙皮外表面與外界空氣產(chǎn)生摩擦力。摩擦力作用在蒙皮外表面上將產(chǎn)生表面溫度升高和承受外壓兩種實(shí)際效果，形成防熱罩的兩種間接載荷，一種是承受來(lái)自氣動(dòng)產(chǎn)生的外壓力，另一種是溫度載荷（20～200℃），圖1為防熱罩載荷原理示意圖。

圖1 防熱罩載荷原理示意圖

2.2 幾何模型

圖2 防熱罩結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

結(jié)合助推器前連桿防熱罩的具體結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)際飛行過(guò)程中的承載形式，運(yùn)用ANSYS/APDL對(duì)前捆綁連接件建立有限元模型[3～5]，見(jiàn)圖2，模型采用殼體單元和梁?jiǎn)卧?，其中蒙皮結(jié)構(gòu)采用殼體單元，框結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧罒嵴峙c兩端防熱罩的接觸采用二維面面接觸單元建立，運(yùn)用十六分之一的對(duì)稱模型簡(jiǎn)化算法，采用掃略網(wǎng)格的劃分方法，網(wǎng)格數(shù)量約為31000個(gè)。

2.3 材料參數(shù)

前連桿防熱罩材料為玻璃鋼，根據(jù)該材料在20℃、100℃和200℃環(huán)境溫度下的彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力等力學(xué)性能參數(shù)，對(duì)前連桿防熱罩進(jìn)行分析計(jì)算，見(jiàn)表1。

表1 前連桿防熱罩材料參數(shù)

3 防熱罩剛度分析

火箭助推器前連桿防熱罩結(jié)構(gòu)的工況溫度范圍為20～200℃，根據(jù)實(shí)際飛行過(guò)程中氣動(dòng)載荷的作用方式，對(duì)防熱罩結(jié)構(gòu)實(shí)際承載面施加外壓載荷87kPa，運(yùn)用ANSYS分析軟件計(jì)算，得到不同溫度環(huán)境下防熱罩結(jié)構(gòu)前2階失穩(wěn)形式的屈曲載荷。

3.1 剛度計(jì)算結(jié)果

為直觀表述不同溫度條件下防熱罩結(jié)構(gòu)承受外壓載荷作用的屈曲形態(tài)和臨界屈曲載荷，圖3～圖5對(duì)應(yīng)列出防熱罩結(jié)構(gòu)的剛度有限元計(jì)算結(jié)果。

圖3 防熱罩承外壓前2階失穩(wěn)波形（20℃）

圖4 防熱罩承外壓前2階失穩(wěn)波形（100℃）

圖5 防熱罩承外壓前2階失穩(wěn)波形（200℃）

3.2 剛度結(jié)果分析

具體不同溫度作用下防熱罩材料承受外壓載荷時(shí)，臨界屈曲載荷如表2所示。

表2 外壓載荷下防熱罩前2階臨界屈曲載荷值

通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，溫度從20℃上升至100℃時(shí)，1階和2階外壓屈曲載荷降幅明顯，降幅達(dá)到50%左右；溫度從100℃上升至200℃時(shí)，外壓屈曲載荷略有降幅，降幅約為10%。此外，對(duì)比外壓屈曲載荷數(shù)據(jù)和彈性模量發(fā)現(xiàn)，外壓屈曲載荷隨溫度的變化趨勢(shì)與彈性模量隨溫度的變化趨勢(shì)具有一致性，如圖6所示。通過(guò)分析防熱罩在兩種載荷作用下的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)波形，得到在承受外壓載荷作用下，防熱罩結(jié)構(gòu)為整體失穩(wěn)模式。

圖6 外壓載荷和彈性模量隨溫度變化曲線

4 防熱罩強(qiáng)度分析

在防熱罩結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面施加臨界外壓載荷作用，對(duì)防熱罩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析計(jì)算。

4.1 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖7 外壓載荷下防熱罩應(yīng)力分布（20℃）

圖8 外壓載荷下防熱罩應(yīng)力分布（100℃）

為直觀表述不同溫度條件下防熱罩結(jié)構(gòu)承受外壓載荷作用的應(yīng)力大小與分布，將防熱罩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果分別對(duì)應(yīng)列于圖7～圖9。

4.2 強(qiáng)度結(jié)果分析

根據(jù)不同溫度下防熱罩的強(qiáng)度分析計(jì)算結(jié)果，可以得到防熱罩在承受外壓載荷作用時(shí)的強(qiáng)度破壞載荷值，如表3所示。

表3 外壓作用下防熱罩強(qiáng)度破壞載荷值

通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，溫度從20℃上升至100℃時(shí)，外壓破壞載荷降幅明顯，降幅達(dá)到69%；溫度從100℃上升至200℃時(shí)，外壓破壞載荷降幅約為31%。此外，將外壓破壞載荷數(shù)據(jù)和彈性模量進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，外壓破壞載荷隨溫度的變化趨勢(shì)與材料強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)具有一致性，如圖10所示，再結(jié)合前面的剛度分析，認(rèn)為隨著溫度升高，防熱罩極限承載能力逐漸減小。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比表2和表3里面同一溫度下的外壓屈曲載荷和外壓破壞載荷，可以得到20℃狀態(tài)下防熱罩結(jié)構(gòu)承受外壓載荷作用的失效模式為屈曲破壞模式；在100℃和200℃溫度環(huán)境下，防熱罩結(jié)構(gòu)承受外壓載荷作用的失效模式為強(qiáng)度破壞模式。

圖10 外壓載荷和材料強(qiáng)度隨溫度變化曲線

根據(jù)防熱罩在兩種載荷作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖可以得到，在承受外壓載荷作用下，防熱罩結(jié)構(gòu)最大集中應(yīng)力均出現(xiàn)于中間防熱罩構(gòu)件的螺釘連接處，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，螺釘設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)該高于防熱罩構(gòu)件，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算該處的強(qiáng)度最大值為62.5MPa，遠(yuǎn)小于螺釘設(shè)計(jì)強(qiáng)度141MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型號(hào)運(yùn)載火箭助推器前連桿防熱罩結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境溫度下的剛度、強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：a.隨著溫度升高，防熱罩極限承載能力減小，在防熱罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選用時(shí)需要考慮實(shí)際飛行過(guò)程中防熱罩承載的溫度環(huán)境條件。b.20℃狀態(tài)下防熱罩結(jié)構(gòu)承受外壓載荷作用的失效模式為屈曲破壞模式；在100℃和200℃溫度環(huán)境下，防熱罩結(jié)構(gòu)承受外壓載荷作用的失效模式為強(qiáng)度破壞模式。c.防熱罩結(jié)構(gòu)在承受外壓載荷作用下，最大集中應(yīng)力均出現(xiàn)于中間防熱罩構(gòu)件的螺釘連接處，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，螺釘強(qiáng)度要高于防熱罩構(gòu)件。

1 馮蘇樂(lè)，張柳峰，羅益民，等. 純鋁半球構(gòu)件拉深成形數(shù)值模擬及工藝研究[J]. 航天制造技術(shù)，2016(5)：35～37

2 孫浩，周改超，崔恩強(qiáng)，等. 鎂合金橫梁鑄件鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值仿真分析[J].航天制造技術(shù)，2017(6)：26～30

3 莊嚴(yán)，呂明璐，張瑤，等. 固定管板式換熱器強(qiáng)度分析與評(píng)定[J].當(dāng)代化工，2018(3)：566～568

4 王宏臣. 基于ANSYS的塔式起重機(jī)溫度物理場(chǎng)強(qiáng)度分析[J].機(jī)電信息，2018(3)：110～111

5 莊嚴(yán)，呂明璐，張瑤，等. 基于ANSYS WorkBench的蒸餾爐吊裝設(shè)備車體靜力學(xué)分析[J].當(dāng)代化工，2018(3)：47～49

Study on Structural Load Carrying Capacity of Front Connecting Rod Heat Shield of Booster at Different Temperatures

Li Hongfei Yang Guangwei Xiang Yang

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

A mathematical model of thermomechanical coupling analsysis is established based on a propelled thermal shield of a front connecting rod. The strength and stiffness of the front connecting rod heat shield of the booster were analyzed and calculated by using ANSYS finite element software. Finally, the stress and bucking morphology of the components of the heat shield are obtained. When the environmental temperature increased from 20℃ to 200℃, the external pressure load of the heat shield decreased from 676kPa to 313kPa, failure load decreased from 780kPa to 165kPa, and the ultimate bearing capacity of the structure under the working environment was predicted.

rod heat shield；stiffness analysis；strength analysis

李洪飛（1979），高級(jí)工程師，材料成型及控制工程專業(yè)；研究方向：焊接工藝、焊接結(jié)構(gòu)有限元分析以及生產(chǎn)管理信息化。

2018-06-29