新型运载火箭结构优化设计与试验验证

伴随着运载火箭大型化与重型化的趋势,结构优化技术在火箭轻量化设计中扮演着越来越重要的角色,同时更高精度的试验、测试以及更高置信度的分析评估需求也日益凸显。本文首先对运载火箭结构轻量化设计方法进行概述;然后针对几种典型密封类与非密封类结构优化案例及新型运载火箭结构中的不确定性优化方法进行了重点介绍,并对优化结果进行了试验验证;最后对亟待解决的技术问题与未来结构优化技术发展趋势进行了梳理与展望。     

基于渐近均匀化的梯度加筋板结构优化设计

梯度加筋板结构以其优异性能广泛应用于航空航天、汽车和交通等领域。针对梯度板的渐变结构导致均匀化及两尺度优化设计计算量过大及效率过低的问题,本文采用机器学习方法搭建以微结构变形参数为输入、等效刚度系数为输出的人工神经网络,实现等效刚度的高效预测。在优化过程中,本文引入表征单胞变形的单元设计变量,实现梯度板局部变形的显式控制,并引入映射函数节点设计变量,保证优化过程中单胞的局部变形与映射函数一致,方便两尺度优化结果解耦。数值算例验证了本文方法的有效性和正确性。     

记忆合金箍环增强复合材料管件接头力学性能分析

复合材料管件在使用时需与接头粘接,粘接的强度常常决定了整个管件的承载能力。本文首先用有限元方法分析了记忆合金箍环对复合材料圆管接头承拉能力的影响,再通过两组轴拉静力试验测试了记忆合金箍环对复合材料圆管拉伸强度的影响程度。试验结果表明记忆合金箍环能提高复合材料圆管接头拉伸强度10.1%,能较好地提高连接性能,这与有限元分析结果相符,分析及试验结果对复合材料管件设计改进有指导作用。     

主结构与贮箱共承力航天器推进平台设计

航天器推进平台轻量化设计是提升航天器任务效率和优化系统性能的重要突破口。目前,通用推进平台的贮箱极少参与推进平台承载,推进平台需要通过辅助承力构件将贮箱载荷传递至主结构,降低了推进平台的承载效率。为此提出了一种主结构与贮箱共承力的推进平台构型,新研表面张力贮箱通过嵌入安装的方式安装在承力筒侧壁,并通过对承力筒主结构开展变刚度设计,实现对贮箱承载量级的合理控制。以某卫星型号的研制需求为例,基于Nastran软件对其推进平台的结构设计参数进行了优化设计,并开展仿真分析和试验验证。研究结果表明,主结构与贮箱共承力推进平台力学性能与通用推进平台相当,但推进平台干重占比可降至13.6%,可有效提升推进平台的整体效率。研究结果可作为大型航天器推进平台设计参考。