火箭增壓管路反拱形破裂膜片仿真分析及試驗(yàn)研究

王叢飛，邢力超，許 光，滿 滿

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

引言

在航天領(lǐng)域，破裂膜片廣泛應(yīng)用于運(yùn)載、武器等液體型號(hào)的自生增壓管路中，達(dá)到隔離與打開的目的，破裂膜片能否正常打開直接關(guān)系到自生增壓系統(tǒng)是否正常工作，具有十分重要的作用[1-2]?，F(xiàn)役型號(hào)廣泛采用傳統(tǒng)鋁制平板形破裂膜片，純鋁材料耐腐蝕性差，同時(shí)，焊接易出現(xiàn)氣泡等缺陷。針對(duì)以上問(wèn)題，擬采用新型不銹鋼破裂膜片對(duì)破裂膜片產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代，該膜片采用不銹鋼材料，產(chǎn)品的耐腐蝕性明顯改善，且具有較好的焊接性能，產(chǎn)品的示意圖如圖1所示。結(jié)構(gòu)為反拱形式，并在表面預(yù)制一定形狀的刻痕，在膜片打開的過(guò)程引導(dǎo)產(chǎn)品規(guī)則打開，可以有效防止多余物的產(chǎn)生。

不同于平板形和正拱形破裂膜片單純依靠強(qiáng)度破壞實(shí)現(xiàn)打開[3-5]，反拱形破裂膜片依靠結(jié)構(gòu)失穩(wěn)實(shí)現(xiàn)打開，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素包括：原材料力學(xué)性能、膜片厚度、拱高、刻痕處剩余厚度等[6]。本研究采用有限元的方法對(duì)破裂膜片的打開壓力進(jìn)行仿真分析研究，同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的打開壓力性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 產(chǎn)品幾何參數(shù)與性能指標(biāo)

1.1 幾何參數(shù)

反拱帶槽形破裂膜片結(jié)構(gòu)參數(shù)圖如圖2所示。刻痕位于拱內(nèi)側(cè)，為“十”字形，減弱槽采用激光刻蝕加工，為矩形凹槽，刻痕尺寸規(guī)整，有利于進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。

圖1 反拱帶槽形破裂膜片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 膜片主要參數(shù)定義

膜片的主要參數(shù)：膜片外徑D1；起拱外徑D0；成形拱高H；膜片厚度t1；刻痕處剩余厚度t2；刻痕寬度B；成拱半徑R。

1.2 性能指標(biāo)

火箭增壓管路用破裂膜片指標(biāo)要求：通徑90 mm；正向打開壓力(0.4±0.05)MPa；反向承壓能力不小于0.5 MPa。

2 方案仿真分析

非線性穩(wěn)定性分析方法是結(jié)構(gòu)領(lǐng)域計(jì)算結(jié)構(gòu)最大承載能力的一種重要手段[7]。同時(shí)，羅代明[8]、閆照峰[9]均采用ANSYS有限元軟件非線性的方法對(duì)反拱形膜片的打開壓力進(jìn)行過(guò)研究分析。

本研究針對(duì)反拱帶槽形破裂膜片采用ABAQUS軟件進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。實(shí)際結(jié)構(gòu)在工程上不可能是完善的，存在一定的缺陷，非線性穩(wěn)定性分析一般需引入初始缺陷，初始缺陷一般以屈曲模態(tài)為基礎(chǔ)，選取一定的缺陷比例因子。因此，首先對(duì)破裂膜片進(jìn)行了模態(tài)分析，計(jì)算了破裂膜片產(chǎn)品的前幾階模態(tài)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)破裂膜片進(jìn)行非線性穩(wěn)定性分析，計(jì)算破裂膜片的最大承載能力。

2.1 有限元模型

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析，膜片厚度在0.2 mm左右，產(chǎn)品較薄，因此，選用了殼shell單元進(jìn)行計(jì)算分析。模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算量，選取1/4模型進(jìn)行分析，設(shè)置對(duì)稱邊界約束。破裂膜片的有限元模型如圖3所示。

圖3 破裂膜片有限元模型

其中，起拱外徑D0為90 mm，刻痕直徑D2為86 mm，膜片外徑D1為139 mm，該參數(shù)主要與上下?lián)跞懊芊饨Y(jié)構(gòu)相關(guān)，對(duì)破裂膜片打開壓力性能無(wú)影響，破裂膜片厚度、拱高、刻痕剩余厚度為設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2 材料屬性

破裂膜片材料選用316不銹鋼材料，彈性模量195 GPa，泊松比0.3，材料的塑性參數(shù)見表1所示。

表1 316不銹鋼材料塑性參數(shù)

2.3 分析步設(shè)置

第一步計(jì)算破裂膜片的屈曲模態(tài)，選擇lanczos分析步，提取破裂膜片的前幾階模態(tài)。膜片起拱的部位加載一定的壓力載荷，計(jì)算分析得到破裂膜片前三階屈曲模態(tài)。

第二步進(jìn)行非線性穩(wěn)定性分析，選取Risk分析方法，邊界條件及載荷設(shè)置與buckling分析步設(shè)置相同，并通過(guò)編輯關(guān)鍵字設(shè)置缺陷因子，以第一階模態(tài)作為初始變形的參考依據(jù)。

缺陷因子對(duì)打開壓力有著重要影響，因此，正確設(shè)置缺陷因子對(duì)最終打開壓力有顯著影響[10]。羅代明[8]在計(jì)算反拱帶刀形破裂膜片的時(shí)候，通過(guò)對(duì)比分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)選取的缺陷比例因子有0.07,0.08，且結(jié)構(gòu)不同選取的缺陷因子有一定區(qū)別。閆照峰[9]在計(jì)算反拱帶刀形破裂膜片的時(shí)候，選擇缺陷系數(shù)0.006，但未對(duì)缺陷因子對(duì)打開壓力的影響開展過(guò)研究。本研究的結(jié)構(gòu)為反拱帶槽形結(jié)構(gòu)，通過(guò)減弱槽實(shí)現(xiàn)破裂打開，與反拱帶刀形破裂膜片有一定區(qū)別，缺陷因子在選取上有一定的不同，通過(guò)研究缺陷因子對(duì)打開壓力的影響，并結(jié)合試驗(yàn)情況，確定合適的缺陷因子。

2.4 仿真分析結(jié)果

首先對(duì)破裂膜片進(jìn)行了屈曲分析，提取了產(chǎn)品的前三階屈曲模態(tài)，如圖4所示。將一階屈曲模態(tài)的變形位移乘以一定的缺陷因子作為初始缺陷進(jìn)行非線性分析。

圖4 破裂膜片的前三階屈曲模態(tài)

通過(guò)非線性穩(wěn)定性分析，得到了破裂膜片在失穩(wěn)前結(jié)構(gòu)的變形分布，如圖5所示。該變形分布與一階模態(tài)的變形形式類似，說(shuō)明結(jié)構(gòu)是沿著一階模態(tài)的形式進(jìn)行擴(kuò)展變形。

圖5 破裂膜片翻轉(zhuǎn)前的變形分布

通過(guò)變形分布發(fā)展，破裂膜片在壓力持續(xù)增加的過(guò)程中，在4個(gè)角部逐漸塌陷，在結(jié)構(gòu)的平衡轉(zhuǎn)換點(diǎn)，結(jié)構(gòu)突然失穩(wěn)，在失穩(wěn)塌陷的過(guò)程，結(jié)構(gòu)在刻槽位置破裂打開，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)爆破打開的目的。

分別研究了初始缺陷因子k、原材料厚度e1、膜片拱高h(yuǎn)、刻痕剩余厚度e2等4個(gè)參數(shù)對(duì)破裂膜片打開壓力的影響。

圖6給出了缺陷因子對(duì)破裂膜片打開壓力的影響，結(jié)果顯示，在一定的范圍內(nèi)，缺陷因子越大，打開壓力越小，且缺陷因子對(duì)打開壓力分析結(jié)果有較為顯著的影響，在進(jìn)行破裂膜片分析設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須選取合適的缺陷因子。

圖6 缺陷因子對(duì)打開壓力的影響

圖7給出了反拱形破裂膜片拱高對(duì)打開壓力的影響，可以看出，在一定的范圍內(nèi)，打開壓力與拱高基本程線性關(guān)系，打開壓力隨起拱高度的增加而提高。

圖7 打開壓力隨拱高的變化

圖8給出了破裂膜片打開壓力隨著膜片厚度變化的趨勢(shì)，從數(shù)據(jù)可以得出，膜片打開壓力隨著厚度的增大而增大，之間的關(guān)系近似線性關(guān)系。

圖8 打開隨膜片厚度的變化趨勢(shì)

圖9給出了破裂膜片打開壓力隨刻痕剩余厚度的關(guān)系，結(jié)果顯示，在一定范圍內(nèi)，刻痕處剩余厚度越大，打開壓力越高。

圖9 打開壓力隨刻痕剩余厚度的關(guān)系

但刻痕剩余厚度0.06 mm處出現(xiàn)了不同趨勢(shì)，對(duì)該參數(shù)下破裂膜片的模態(tài)進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)在該參數(shù)下的一階屈曲模態(tài)如圖10所示，與圖6失穩(wěn)前的變形分布有著顯著不同，說(shuō)明該參數(shù)下，結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式發(fā)生了變化，從而影響到最終的失穩(wěn)壓力。

通過(guò)以上分析，初步確定了破裂膜片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表2所示。

圖10 刻痕剩余厚度0.06 mm時(shí)膜片的一階屈曲模態(tài)

表2 破裂膜片結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

3 試驗(yàn)研究

以仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，開展了破裂膜片的加工及試驗(yàn)驗(yàn)證工作，為了保證產(chǎn)品的加工進(jìn)度及一致性，采用激光刻蝕的方法。增壓速率對(duì)破裂膜片打開壓力有一定的影響，為了保證試驗(yàn)的可靠性，選擇緩慢增壓的方式，選用自動(dòng)化壓力試驗(yàn)系統(tǒng)[11-13]。試驗(yàn)原理如圖11所示，包括氣源、壓力控制及記錄設(shè)備、破裂膜片安裝法蘭等。

圖11 破裂膜片打開前后狀態(tài)

對(duì)該形破裂膜片開展了常溫狀態(tài)下的打開壓力試驗(yàn)。破裂膜片在加壓過(guò)程，起拱側(cè)壓力逐漸增加，在增加到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲失穩(wěn)，在失穩(wěn)的同時(shí)，膜片迅速翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)過(guò)程，破裂膜片在刻痕位置扯開，形成泄漏通道，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通的目的。圖12給出了打開前后破裂膜片的狀態(tài)，表3給出了試驗(yàn)結(jié)果。

圖12 破裂膜片試驗(yàn)裝置示意圖

表3 破裂膜片打開壓力試驗(yàn)結(jié)果 MPa

試驗(yàn)結(jié)果顯示，90 mm通徑破裂膜片正向打開壓力在0.40 MPa左右，反向極限壓力均大于2.0 MPa，具有良好的反向承壓能力。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合圖6缺陷因子對(duì)打開壓力的影響趨勢(shì)，認(rèn)為該結(jié)構(gòu)在選取缺陷因子0.05時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最為接近。根據(jù)分析及試驗(yàn)情況，同類型反拱帶槽形破裂膜片在進(jìn)行非線性穩(wěn)定性分析時(shí)，推薦缺陷因子0.05。

將缺陷因子在0.05時(shí)的分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)比數(shù)據(jù)見表4所示。

表4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

以上對(duì)比數(shù)據(jù)顯示，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在5%左右，結(jié)果具有很高的可信度。非線性穩(wěn)定性的計(jì)算方法可以較好預(yù)示反拱形破裂膜片的打開壓力，可以作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析的依據(jù)。

4 結(jié)論

對(duì)反拱形破裂膜片開展了仿真分析工作，研究了缺陷因子、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)打開壓力的影響。同時(shí)開展了試驗(yàn)驗(yàn)證工作，主要結(jié)論如下：

(1) 采用非線性穩(wěn)定性分析的方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)反拱形破裂膜片打開壓力仿真分析，誤差不超過(guò)5%。對(duì)同類型、相似規(guī)格的破裂膜片產(chǎn)品在進(jìn)行非線性溫度性分析時(shí)，推薦缺陷因子0.05;

(2) 破裂膜片的打開壓力主要與拱高、膜片厚度、刻痕剩余厚度相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，隨著拱高、膜片厚度的增加，打開壓力線性增加，在一定范圍內(nèi)，刻痕剩余厚度越大，打開壓力越高，但剩余厚度超過(guò)該范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致破裂膜片的模態(tài)發(fā)生變化，因此變形方式方法變化，將導(dǎo)致打開壓力的突變。