變壁厚金屬膜片貯箱設(shè)計(jì)方法概述

丁 尚,孟凡剛

(沈陽(yáng)航天新光集團(tuán)有限公司 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究室，沈陽(yáng) 110043)

推進(jìn)劑貯箱實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)推進(jìn)劑的管理和控制，系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)向貯箱氣腔增壓，使膜片變形并翻轉(zhuǎn)將推進(jìn)劑排出。對(duì)于當(dāng)前貯箱的研制設(shè)計(jì)，在滿足指標(biāo)和功能要求的前提下，還應(yīng)充分考慮工作環(huán)境影響如使用環(huán)境、貯存環(huán)境、力學(xué)環(huán)境等，降低環(huán)境因素對(duì)貯箱結(jié)構(gòu)和性能的影響，并盡量采用加工性、裝配性好的結(jié)構(gòu)形式。本文介紹的貯箱設(shè)計(jì)方法適用于多數(shù)各項(xiàng)同性的塑性金屬材料，如鋁、鈦等，同時(shí)對(duì)膜片的技術(shù)核心進(jìn)行梳理，為貯箱研究提供一定參考。

1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于金屬膜片貯箱，比較重要的技術(shù)指標(biāo)包括貯箱有效推進(jìn)劑質(zhì)量和膜片翻轉(zhuǎn)壓差，是進(jìn)行貯箱設(shè)計(jì)時(shí)首要關(guān)注的重點(diǎn)。貯箱的通用要求需達(dá)到排液率98%以上，對(duì)于給定的推進(jìn)劑質(zhì)量，貯箱容積基本確定，再結(jié)合安裝尺寸限制，基本可以確定貯箱的外形結(jié)構(gòu)。另一個(gè)比較重要的技術(shù)指標(biāo)是膜片翻轉(zhuǎn)壓差，它直接影響推進(jìn)系統(tǒng)的壓力流量匹配及系統(tǒng)的工作穩(wěn)定，與膜片的厚度及結(jié)構(gòu)形式有直接關(guān)系。

在進(jìn)行貯箱設(shè)計(jì)時(shí)，除了需要考慮貯箱功能技術(shù)指標(biāo)外，還需要充分考慮工作環(huán)境的影響，其中貯箱需承受的振動(dòng)環(huán)境對(duì)貯箱的可靠性影響較大，不合適的結(jié)構(gòu)或厚度過(guò)薄容易導(dǎo)致貯箱膜片在振動(dòng)過(guò)程中開(kāi)裂，因此在貯箱結(jié)構(gòu)確定前需按給定的振動(dòng)環(huán)境條件進(jìn)行校核，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案對(duì)動(dòng)力環(huán)境的適應(yīng)性。

2 基本結(jié)構(gòu)形式

金屬膜片貯箱主要由氣腔半球、金屬膜片、液腔半球三部分組成，如圖1-2所示。進(jìn)氣口在氣腔半球頂部，與氣源連接；膜片介于兩半球之間，將氣體與推進(jìn)劑隔開(kāi)，保證推進(jìn)劑貯箱能定向地連續(xù)供應(yīng)推進(jìn)劑；排液口在液腔半球底部，與下游管路連接；三部分通過(guò)焊接組合在一起。貯箱用于裝配的法蘭或支耳等可位于氣、液半球上；部分貯箱還可在氣腔半球和金屬膜片之間設(shè)置導(dǎo)向限位結(jié)構(gòu)，防止膜片反向翻轉(zhuǎn)，在振動(dòng)過(guò)程中起到限位和保護(hù)的作用。

多數(shù)推擠劑工作介質(zhì)具有腐蝕性及氧化性，目前常用的金屬膜片貯箱殼體材料為鋁合金或鈦合金，都具有耐蝕性、耐熱性、密度小、比強(qiáng)度高和焊接性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)，與多數(shù)推進(jìn)劑均有良好的相容性。金屬膜片有大變形的翻轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，需要具備較好的塑性，應(yīng)選用純鋁或純鈦。由于貯箱為承壓件，振動(dòng)過(guò)程中還對(duì)構(gòu)件的疲勞特性有一定要求，因此對(duì)于材質(zhì)選用較為嚴(yán)格。

圖1 金屬膜片貯箱基本結(jié)構(gòu)

圖2 金屬膜片基本結(jié)構(gòu)

3 膜片設(shè)計(jì)方法研究

進(jìn)行貯箱設(shè)計(jì)第一步需要確定膜片結(jié)構(gòu)，再根據(jù)膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)貯箱殼體形式。從給定的貯箱容積和安裝空間要求，可以初定膜片最大直徑和高度，應(yīng)使膜片直徑盡可能大、高度小，呈扁矮形式，有利于膜片的翻轉(zhuǎn)并提高抗振能力[1]。膜片厚度需要根據(jù)翻轉(zhuǎn)壓差及振動(dòng)環(huán)境條件綜合確定，對(duì)于變壁厚膜片，較小的基礎(chǔ)壁厚能獲得較大的厚度梯度，能有效減小膜片在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的橫向偏心，但是過(guò)小會(huì)導(dǎo)致膜片翻轉(zhuǎn)失穩(wěn)，抗振能力下降等問(wèn)題[2]，因此需要根據(jù)技術(shù)指標(biāo)綜合考慮。

貯箱金屬膜片翻轉(zhuǎn)變形問(wèn)題的研究，不僅涉及到材料彈塑性大應(yīng)變等力學(xué)問(wèn)題，還涉及膜片失穩(wěn)、褶皺及塑性開(kāi)裂等力學(xué)問(wèn)題。膜片翻轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)屈曲與后屈曲狀態(tài)，涉及幾何非線性及材料非線性等問(wèn)題，由于問(wèn)題復(fù)雜，僅通過(guò)理論分析很難準(zhǔn)確掌握膜片變形機(jī)理，且計(jì)算量大，目前應(yīng)用比較廣泛的是采用有限元法[3]，能夠較為準(zhǔn)確地模擬膜片在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的變形受力及偏心失穩(wěn)情況。

膜片的翻轉(zhuǎn)偏心是由于膜片厚度不均導(dǎo)致變形不一致，膜片的翻轉(zhuǎn)褶皺則是由于膜片抵抗失穩(wěn)的臨界外載小于翻轉(zhuǎn)壓力導(dǎo)致，增加膜片厚度、降低膜片高度或增加厚度梯度都可以有效減少褶皺發(fā)生的概率[4]。在仿真分析時(shí)，需建立準(zhǔn)確的有限元模型，定義真實(shí)的載荷邊界條件及材料的本構(gòu)關(guān)系，必要時(shí)可以引入允許范圍內(nèi)的隨機(jī)加工精度誤差。

仿真分析時(shí)，應(yīng)保證膜片單元方向一致，在外表面施加均勻壓強(qiáng)，采用弧長(zhǎng)法模擬膜片的翻轉(zhuǎn)過(guò)程[5]，如圖3-4所示。提取仿真結(jié)果時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注以下方面：

圖3 金屬膜片有限元模型

圖4 金屬膜片非線性變形過(guò)程

(1)膜片的翻轉(zhuǎn)壓力

可以提取膜片頂點(diǎn)的下翻距離與壓力對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線，如圖5所示，得到膜片在整個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的壓力差是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 金屬膜片有限元模型

(2)膜片頂點(diǎn)的橫向位移

橫向位移影響貯箱工作時(shí)的質(zhì)心，橫向位移過(guò)大還可能引起翻轉(zhuǎn)彎邊處褶皺失穩(wěn)等現(xiàn)象[6]。

(3)膜片失穩(wěn)情況

需要觀察膜片在整個(gè)下翻過(guò)程中彎邊處應(yīng)力是否均勻，如出現(xiàn)波浪形則存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)[7]，需優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

膜片結(jié)構(gòu)主要由預(yù)制彎邊、錐段及球冠段組成，如果由于安裝空間限制要求貯箱較高，可以在錐段和球冠段之間增加圓弧段過(guò)渡，能增加貯箱容積，且使翻轉(zhuǎn)過(guò)程平穩(wěn)。相應(yīng)的膜片主要技術(shù)參數(shù)包括膜片直徑、彎邊半徑、直線段錐角、球冠半徑和膜片厚度，其中膜片直徑受安裝空間限制，理論上同等容積貯箱越大越好[8]；彎邊半徑對(duì)膜片起翻壓力、偏心程度、失穩(wěn)程度、抗振能力都有影響，彎邊半徑越大，起翻壓力、偏心及失穩(wěn)程度都有所降低，但是剛度減弱抗振能力降低，需綜合考慮[9]；直線段錐角影響貯箱容積和偏心失穩(wěn)程度，錐度越大容積越大，偏心失穩(wěn)加劇[10]；球冠半徑對(duì)貯箱容積和偏心失穩(wěn)有影響，當(dāng)其它參數(shù)確定后，球冠半徑增大，膜片高度降低，容積減小，易于翻轉(zhuǎn)；壁厚對(duì)于翻轉(zhuǎn)壓差、偏心失穩(wěn)、抗振能力有影響，厚度增加，抗振能力增大，抵抗失穩(wěn)能力提高，但會(huì)導(dǎo)致重量隨之增加，翻轉(zhuǎn)壓差增大。目前膜片以變壁厚為發(fā)展趨勢(shì)[11]，不僅由于變壁厚設(shè)計(jì)可以改善膜片翻轉(zhuǎn)過(guò)程中偏心及失穩(wěn)現(xiàn)象，還能降低膜片質(zhì)量。

膜片壁厚變化形式多樣，設(shè)計(jì)時(shí)還需要與膜片結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)配合，建議以膜片內(nèi)表面為基礎(chǔ)，外表面為厚度漸變模式，一方面便于建立模型，另一方面有效保證液腔容積。壁厚變化方式分為等梯度變化和變梯度變化，傳統(tǒng)變化方式采用一次方程變壁厚，即從膜片底部到頂部厚度逐漸增大，相鄰等高度差環(huán)線上厚度差也一致。這種變壁厚方法的優(yōu)點(diǎn)是膜片在整個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中偏心量都很小，但由于頂部厚度最大且梯度不變，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)困難，因此通常在貯箱殼體上增加限位結(jié)構(gòu)[12]，抑制膜片頂部翻轉(zhuǎn)，不僅可以使膜片后期翻轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，還能提高貯箱排液效率。還可以采用二次方程的變壁厚方式，此種方式底端起翻位置壁厚變化梯度大，頂部厚度漸變趨于平穩(wěn)，基本呈等壁厚狀態(tài)，膜片在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中前期擺動(dòng)量小后期擺動(dòng)量大，如圖6所示，恰好對(duì)應(yīng)前期推進(jìn)劑質(zhì)量多后期量小，如此貯箱在工作過(guò)程中質(zhì)心橫移始終保持在一個(gè)較小的范圍，且抵抗初期翻轉(zhuǎn)失穩(wěn)的能力也有所提高。

圖6 金屬膜片非線性變形過(guò)程

膜片翻轉(zhuǎn)過(guò)程設(shè)計(jì)合格后，還要對(duì)其動(dòng)力特性抗振能力進(jìn)行校驗(yàn)，主要考察膜片在滿載時(shí)附加質(zhì)量比較大，振動(dòng)過(guò)程中膜片受力較為惡劣情況下的表現(xiàn)，此時(shí)若膜片在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中存在失穩(wěn)現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致褶皺部位應(yīng)力集中開(kāi)裂。因此，在膜片結(jié)構(gòu)方案確定前，應(yīng)根據(jù)給定的空間力學(xué)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)力學(xué)有限元分析，仿真時(shí)需要考慮貯箱液腔半球及推擠劑對(duì)膜片的影響，屬于流固耦合的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，可以借助Nastran的虛擬質(zhì)量法或集中質(zhì)量法輔助進(jìn)行分析[13]，如圖7-8所示。

圖7 貯箱流固耦合有限元模型

圖8 金屬膜片模態(tài)振型

4 殼體設(shè)計(jì)方法研究

膜片結(jié)構(gòu)確定后可以進(jìn)行貯箱殼體設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)殼體時(shí)需綜合考慮強(qiáng)度、容積、重量、安裝空間、機(jī)械接口及排液效率等問(wèn)題。首先應(yīng)根據(jù)膜片翻轉(zhuǎn)后的形式設(shè)計(jì)貯箱液腔內(nèi)形面，與膜片保留一定間隙，間隙過(guò)大則排液率較低，過(guò)小膜片在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中可能會(huì)與之干涉，需合理規(guī)劃型面結(jié)構(gòu)及間隙大小。

貯箱強(qiáng)度是殼體設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，在性能參數(shù)中，對(duì)驗(yàn)證壓力、爆破壓力、外壓穩(wěn)定性及疲勞強(qiáng)度都有一定要求，在預(yù)期的工作壽命內(nèi)和環(huán)境條件下，貯箱應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度同時(shí)承受極限載荷和內(nèi)壓而不產(chǎn)生有害的變形，在負(fù)載和內(nèi)壓最大時(shí)不產(chǎn)生破裂和斷裂，貯箱能夠承受最大外載和外壓而不發(fā)生失穩(wěn)。

壁厚是影響貯箱強(qiáng)度的重要因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算時(shí)還需要考慮幾何不連續(xù)、材料及幾何非線性效應(yīng)等，應(yīng)給出載荷和壓力的綜合安全指數(shù)，通過(guò)有限元法分析材料的應(yīng)力應(yīng)變[14]，并應(yīng)考慮公差影響。

由于進(jìn)出氣口及安裝法蘭等結(jié)構(gòu)，在這些特征結(jié)構(gòu)附近剛度較大，會(huì)引起剛度突變，建議殼體也進(jìn)行變壁厚設(shè)計(jì)，也可稱為優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低重量保證強(qiáng)度。貯箱殼體厚度遠(yuǎn)小于外形尺寸，但由于整個(gè)貯箱厚度不均勻，變化規(guī)律較難控制，不宜使用殼單元整體建模，可以使用軸對(duì)稱平面單元，計(jì)算結(jié)果較為精確且計(jì)算量小。此外，若貯箱殼體位置存在焊接結(jié)構(gòu)，焊縫強(qiáng)度還要充分考慮安全系數(shù)。

應(yīng)對(duì)貯箱加壓后的容積和尺寸變形進(jìn)行分析，給出在額定工作壓力、正常安裝情況下貯箱變形影響，預(yù)留出變形空間，不應(yīng)給貯箱帶來(lái)多余外力，在額定工作壓力下，貯箱的變形應(yīng)處于彈性變形范圍內(nèi)，增大的容積納入有效容積中，還需要對(duì)泄壓后的殘余變形進(jìn)行分析，保證在規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是結(jié)合性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)出滿足要求的產(chǎn)品，且在有限的體積內(nèi)將產(chǎn)品所需的零部件進(jìn)行有效的布放、安裝。結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際使用特點(diǎn)，保證產(chǎn)品在自然環(huán)境和力學(xué)環(huán)境條件下工作正常。充分考慮產(chǎn)品的特殊需求，采用成熟工藝制造，從而全面保證產(chǎn)品質(zhì)量。貯箱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮工作環(huán)境如使用環(huán)境、貯存環(huán)境、力學(xué)環(huán)境等，降低環(huán)境因素對(duì)貯箱結(jié)構(gòu)和性能的影響。此外，在貯箱的研制和生產(chǎn)過(guò)程中，必須進(jìn)行各種項(xiàng)目的試驗(yàn)[15]，檢查和考核貯箱的使用性能和生產(chǎn)質(zhì)量。

金屬膜片為變壁厚的薄壁件，膜片的曲面設(shè)計(jì)直接決定了產(chǎn)品的可靠性及安全性，良好的設(shè)計(jì)理念可以確保膜片在較小的壓力下達(dá)到均勻平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)的特性，同時(shí)膜片加工難度較大，對(duì)于變壁厚控制及材料性能控制要求較為嚴(yán)格，膜片的加工質(zhì)量直接影響貯箱的使用性能，因此該零件為關(guān)鍵零件，該零件的成型工藝為關(guān)鍵工藝。

本文通過(guò)總結(jié)變壁厚金屬膜片的結(jié)構(gòu)形式及性能指標(biāo)，詳細(xì)地介紹了變壁厚膜片貯箱的設(shè)計(jì)思路及仿真技術(shù)和設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意的事項(xiàng)，另外對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)膜片性能的影響做了簡(jiǎn)要概述，為膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供方向。