大型真空容器结构设计中的有限元分析与应用

真空容器是大型空间环境模拟器的主体结构系统。文章在分析了真空容器系统结构及其设计方法的基础上,以某大型空间环境模拟器真空容器系统设计为例,探讨了有限元法在真空容器设计中的应用。工程实践表明,利用有限元法对大型空间环境模拟器容器系统进行分析设计,可以解决复杂载荷下的结构应力计算,优化真空容器的局部结构,提高容器系统可靠性和经济合理性。     

整星热试验容器强度及稳定性分析设计

空间环境模拟器真空容器结构设计必须考虑外压载荷和设备载荷,进行详细的结构力学分析计算,使其结构安全可靠。文章采用有限元方法计算分析了容器的强度和稳定性,获得了复杂结构载荷下的应力和临界屈曲压力,在此基础上对容器进行了强度和稳定性评价,所得结果可为容器结构设计提供可靠的依据。     

温度交变载荷对药柱结构完整性的影响分析

为研究温度交变载荷对药柱结构完整性的影响,使用Abaqus软件对特定温度载荷下的某发动机药柱进行了有限元计算,获得了药柱温度场和应力场,得到了不同部位温度-时间曲线,并评价了危险部位的安全系数。开展了温度平衡试验,将有限元计算结果与试验结果进行了对比。结果表明,有限元计算结果与试验结果吻合较好,药柱靠近壳体部位温度变化快,靠近中孔部位温度变化慢,并且翼槽和人脱根部为应力应变危险部位。     

锁渣器的疲劳设计

锁渣器是一台高循环疲劳容器,全幅度压力载荷循环次数达192000次。本文着重介绍“应力指数法”和“有限元法”对锁渣器接管进行疲劳分析设计的具体应用。对焊接接头结构设计及其制造检验要求,对人孔螺栓的疲劳设计亦做了介绍。     

基于结构可靠性的姿控/储能飞轮转子设计方法研究

姿控／储能两用飞轮在工作过程中依靠飞轮转速的变化来实现姿控和储能两方面的需求，在转速变化过程中，飞轮结构承受的交变载荷作用会导致飞轮发生疲劳破坏。为保证结构安全工作，需要依据结构可靠性的要求对飞轮转子进行结构设计，本文介绍了姿控／储能飞轮结构所采用的金属材料及复合材料的可靠性分析理论，并针对两用飞轮结构的特点提出了基于结构可靠性的姿控／储能两用飞轮转子设计方法。基于通用有限元分析软件建立了飞轮的三维有限元分析模型以得到结构的应力分布。最后给出了设计示例。该研究为飞轮的结构设计和飞轮的破坏试验提供理论依据。     

大型空间模拟器封头的屈曲分析

封头是大型真空容器的重要组成部分,其主要破坏形式是产生屈曲,所以在真空容器的设计中必须对封头的屈曲特性进行分析。文章采用有限元法建立某大型空间环境模拟器的封头模型,通过有限元线性分析与非线性分析计算结果和经验公式计算结果相比较得到临界载荷,证明利用有限元方法来分析封头的屈曲特性具备可靠性和可行性。文章所得到的结论可为实际设计工作提供参考。     

纤维缠绕复合材料压力容器残余应力对强度的影响

本文介绍考虑残余应力σ_i~R 时纤维缠绕复合材料压力容器的强度计算方法.使用该方法计算了考虑和不考虑残余应力σ_i~R 时容器的爆破压力 P_c 和 P_(c').计算值与实测值比较后发现,残余应力对容器强度的影响是不可忽视的.     

一种冷热交变环境下太阳帆应力保持方法

针对冷热交变环境导致太阳帆内部应力剧烈变化的问题,基于形状记忆合金(SMA)弹簧提出了太阳帆的张拉方案和薄膜应力保持恒定的方法,该方法利用形状记忆合金在高低温下的刚度非线性特性,有效补偿薄膜和支撑杆之间的间隙变化,以使薄膜内部应力基本保持恒定。针对六边形构型太阳帆开展了数值仿真,首先建立了太阳帆的热分析模型和力学分析模型,获取了高低温工况下的温度场。然后通过热致变形分析得到薄膜与支撑杆在高低温工况下的间隙变化,据此确定形状记忆合金弹簧的参数。最后对太阳帆在高低温工况下的薄膜内部应力进行了验证。     

纺丝工艺对炭纤维缠绕复合材料强度转化率的影响

通过不同纺丝工艺的聚丙烯腈基炭纤维表面状态、NOL环及Φ150 mm容器的实验研究,分析了不同纺丝工艺对湿法缠绕复合材料聚丙烯腈基炭纤维强度转化率的影响。结果表明,干喷湿纺炭纤维比湿法纺丝Φ150 mm容器环向纤维强度转化率要高出11.9%~15.4%,湿法纺丝的炭纤维复合材料NOL环层间剪切强度要比干喷湿纺炭纤维复合材料高7.4~34.1 MPa。因此,干喷湿纺的炭纤维可应用于固体火箭发动机缠绕壳体、压力容器等主要承受拉伸应力的领域,可充分发挥其纤维强度;而湿法纺丝工艺制成的炭纤维与树脂基体结合紧密,利于载荷的传递,可应用于承受压缩剪切等复杂载荷的领域,从而发挥这两种纤维各自不同优势。     

碳纤维复合材料高压球形容器研制

采用变带距方法对球形容器进行优化设计，并研制了一批产品。试验结果表明，在纤维设计应力相同条件下，采用变带距缠绕的球形容器，其复合材料重量比等带距缠绕的轻２４．５６％，而其容器特性系数高出１０．４％，能同时满足设计提出的强度和重量两方面要求。     

真空容器大门法兰结构设计及优化

真空容器大门法兰是空间环境模拟器容器系统实现真空密封的关键件。根据功能要求和结构特点,文章分析了真空容器大门法兰的应力状态和强度设计方法。在此基础上,建立了大门法兰优化设计模型,应用有限元法对不同结构模型进行分析和评估,确定了大门法兰的改进设计方案。工程实践表明,通过对大门法兰进行优化设计,提高了结构设计质量,使大型空间环境模拟器容器更为合理、可靠和经济。     

高精度多通道飞行器结构载荷测量系统设计方法

飞行器是在大气层内或大气层外空间飞行的器械，包括航空器、航天器、火箭和导弹。飞行器在机动过程中，飞行器结构的截面载荷是结构设计的重要依据，截面载荷测量结果的准确度直接关系到结构设计的可靠性。针对导弹在飞行过程中结构内部应力难以测量的问题，提出了利用载荷测试仪实测应变载荷与LS-DYNA软件结合仿真分析的方法，该方法通过对单个桁条组件的应力性能进行有限元仿真验证，确认每个桁条组件的测点布局，设计载荷测试仪进行高精度载荷测量，测试仪由8通道应变测量模块与6通道温度测量模块组成，系统由单片机与FPGA共同控制，通过应变信号调理电路与温度信号调理电路提升信号的线性度，采用Flash实现大量数据的存储，通过RS422转USB将数据上传至上位机。通过上述工作验证了载荷测试仪高精度采集方案，结果表明载荷测试仪采集到的应变数据与温度数据呈高线性度，对导弹的弹体结构设计有一定的参考价值。     

金属材料表面涂层损伤的非线性超声评价

提出了一种金属材料表面涂层损伤的非线性超声评价方法。表面涂层的损伤以及涂层与基体材料间的界面粘接状况与超声信号的非线性效应密切相关。将存在表面涂层的AZ31镁铝合金试件加载到不同的拉伸载荷后,利用RitecSNAP-0.25-7-G2非线性超声测试系统激发和接收Rayleigh表面波,通过实验测试在不同载荷作用后涂层试件的声学非线性系数。研究结果表明,在应力不超过某一极限值的情况下,虽然不能观察到试件表面涂层外观的明显变化,但通过非线性超声实验测试得到的声学非线性系数随着加载应力的增加而不断增加。因此,对具有表面涂层的结构来说,可利用声学非线性系数对其表面涂层的损伤进行非线性超声无损评价。     

薄板光学反射面面形变形驱动器集成设计

针对某光学载荷薄板反射面面形调整需求,对一种新型精密微调驱动器开展了集成设计研究。分析了柔性太阳翼冷热交变对敏感载荷的影响,设计了一种基于巨磁致伸缩材料(GMM)的主动补偿驱动器,对驱动器关键部件进行了优化。建立了驱动器的动力学模型,并利用模糊自适应PID算法对其进行闭环控制。仿真结果表明:设计的驱动器能实现较大的行程、较高的定位精度,可用于面形变形补偿。     

吸波外热流模拟装置等效热分析模型

吸波材料可用于微波载荷无线功能测试。在微波载荷的真空热试验条件下,容器壁安装由大量四棱锥尖劈阵列而成的吸波结构,其兼具外热流模拟功能。为简化热分析以指导工程优化设计,文章基于体积平均思想,为吸波结构建立等效热分析模型,并与真实结构模型的分析结果进行对比,研究吸波装置的瞬态温度变化和外热流模拟精度以及对于复杂结构的温度场控制精度,验证了等效模型的精度与工程实用性。     

航天器高稳定结构热变形分析与试验验证方法研究

航天器高稳定结构研制须探讨微米级结构热变形仿真分析与试验验证工作,以满足空间环境交变温度载荷下结构微变形要求。根据机热一体化设计的特点,提出机热一体化分析方法进行机、热载荷交互,机、热温度场交互过程由手动赋值的几天时间缩短至几分钟,且映射误差小于1℃。基于数字图像相关测量技术,采用高稳定结构微米级变形的非接触式测试方法进行试验验证。结果显示,文章中的高稳定结构在轨热变形为2~30μm。文章提出的分析与试验验证方法,可为航天器高稳定结构设计及验证提供参考。     

非均布瞬态内压作用下星孔药柱应力分析

固体发动机大长径比药柱点火过程中内孔表面受到燃气压力作用,内压载荷迅速上升,并沿轴向分布很不均匀,为典型的瞬态非均布载荷。文中建立了内压载荷关于时间变化和位移分布的数学模型及瞬态非均布内压载荷下药柱结构应力的分析方法,并建立了三维贴壁浇注星型内孔药柱模型,用有限元法计算出非均布压力下的药柱应力-应变分布及变化过程。计算结果表明,载荷的非均布特性及瞬态特性对药柱应力-应变过程影响很大。升压梯度越大,对药柱结构完整性破坏越大。     

航天复合材料压力容器研制技术

分析了航天复合材料压力容器技术指标特点。提出了容器金属内衬、增强纤维和树脂基体的选材要求。讨论了金属内衬全金属承压区、薄膜区、封头过渡区、封头/筒体界面、焊接区的结构设计方法,以及圆柱形、球形、近球形、椭球形、环形、锥形容器纤维缠绕复合材料壳体结构特点。简述了结构设计算法,以及包括疲劳寿命、应力断裂寿命、爆破前先泄漏(LBB)安全失效模式等容器安全设计的分析和试验方法。     

接管弯矩作用下筒体-补强圈补强区局部应力的试验研究

本文对接管弯矩作用下压力容器开孔-补强区的局部应力进行了试验研究。研究范围包括三台具有不同d/D比及补强圈补强的试验容器。试验结果表明,在接管弯矩作用下,容器筒体在补强圈补强范围内的局部应力,特别是孔边的应力集中明显降低,但由于几何形状的不连续及焊缝的作用,在补强圈外边缘特别是容器横向截面内出现了较大的不连续性应力,试验结果同时表明,接管横向弯矩M。在容器横向截面内产生的应力比接管纵向弯矩M_L在容器纵向截面内产生的应力要大得多。     

运载火箭动力系统试验承力环的静力试验

建立了某型号运载火箭动力系统试验用承力环的非破坏性静力试验方案,以评估该承力环的强度和刚度。为模拟发动机关机时的载荷冲击,将静力试验最大载荷设定为发动机额定总推力的2倍,包含水平和垂直两个分量,均分为8个载荷步加载。在承力环上设置了27个三向应变测点和12个轴向位移测点,以监测一些关键点的应力和位移。测量结果显示,在最大载荷下,当量应力达到303 MPa,低于材料屈服强度;轴向变形达到3.16 mm,低于设计许用变形;应力最大点位于支腿销孔处。对销孔孔距的变化进行了测量,并对附近的钢板表面进行了MT探伤。数据结果表明,该承力环在两倍的动力系统试验额定载荷下有足够的强度和刚度,可用于该试验。