CZ-5大型结构及低温贮箱静强度试验技术研究

CZ-5新一代运载火箭结构静强度试验的特点是高载荷大尺寸、捆绑载荷、低温贮箱。本文介绍了型号研制过程中静强度试验领域关键技术,主要包括:地基平衡和自平衡相结合的承力系统及高载荷大尺寸结构静力试验方法;大型贮箱低温应变计粘贴工艺研究和低温静力试验测试技术;以及设计一套开放式的超低温(-196°C、)环境下焊接试片拉伸试验及全场数据分析系统,并获得了低温贮箱焊接试片的焊缝区、熔合区、母材区域的低温力学性能。为新一代大运载火箭结构静强度试验提供技术支撑。     

运载火箭贮箱的消旋试验

本文讨论运载火箭双出口贮箱的消旋问题,提出了十字分隔板和圆板消旋器,并通过大模型试验确定其结构尺寸。试验中引入液面波高相似参数,以模拟液体晃动和增压气流对液面冲击的效应。贮箱液体剩余量测量采用称重法,其精度比液位观测法有明显提高。     

某运载火箭贮箱法兰密封结构拧紧力矩的量化

为提高某运载火箭型号密封结构的可靠性,对运载火箭贮箱开口法兰密封结构拧紧力矩的量化进行研究。通过理论计算和密封模拟试验确定了七种橡胶密封件的拧紧力矩范围及最佳拧紧力矩值,实现了某运载火箭型号贮箱开口法兰密封结构的拧紧力矩量化控制。     

基于粒子群—克里金法的筒段应变场重构与载荷位置识别

针对可重复运载器箭体、燃料贮箱以及飞机机身等筒段类结构健康监测需求,本文提出了一种基于高密度弱反射光纤光栅传感器的筒段结构应变场重构与载荷位置辨识方法.借助ABAQUS有限元仿真软件,得到筒段壁面在载荷作用下的应变场分布特性.研究了基于粒子群—克里金法的壁面应变场重构算法,提升了应变场重构精度.构建了筒段壁面应变场分布...     

运载火箭贮箱流固耦合分析方法综述

主要介绍了流固耦合的一些基本概念和分类。针对运载火箭贮箱流固耦合问题,介绍了几种分析方法:包括广泛用于运载火箭贮箱流固耦合分析应用的解析法、线性有限元法和有限元-边界元混合法,用于类似问题分析的模态综合法,以及当前常见且可以用于运载火箭贮箱流固耦合分析的FEM-CFD耦合法、半数值半解析法、非线性瞬态响应法,总结了各种方法的特点和适用性,并提出了运载火箭贮箱流固耦合分析需要进一步研究的一些方向。     

冲击射流的彩虹纹影实验研究

超声速冲击射流在短距、垂直起降飞行器(S/VTOL)以及火箭发射等方面应用广泛,但是伴随着流场与噪声等诸多方面的问题。要研究这一类问题,必先研究这一类超声速流动的波系结构。文章利用彩虹纹影测量系统,对不同距离不同压比的冲击射流进行实验研究,得到了清晰的彩虹纹影实验结果,细致地呈现了冲击射流的波系结构。基于实验结果,对三种不同结构的冲击射流的波系结构进行了详细分析。发现喷嘴与挡板距离较大时,形成的射流结构与自由射流相似,壁面附近的射流区域不明显。随着距离减小,冲击射流出现壁面冲击区附近射流比较剧烈的现象。距离进一步减小时,出现滞止泡等结构,滞止泡的形状与压比相关。此外,实验表明冲击射流形成的马赫盘大小、形状与来流压比相关。     

液体运载火箭纵向振动结构动力学模型应用研究

在液体运载火箭结构动力学工程研制设计中,为了进行POGO分析和星箭耦合载荷仿真预示,一般需要进行运载火箭纵向结构动力学模型的建立及其纵向动力学特性计算,建模过程中重点关注环节是加注液体推进剂的贮箱的简化建模,为了克服MSC.Nastran虚质量法计算耗时长的劣势和单质量块简化模型高阶频率计算精度较差的缺点,基于文献方法进行了多质量块简化模型的推导和建立,通过算例表明,采用多质量块简化模型在保证计算精度的同时,可以大大提高计算效率。     

液体运载火箭充液贮箱箱底纵向刚度数值求解

基于弹簧—质量简化模型进行液体运载火箭充液贮箱纵向结构动力学建模分析时,需要考虑贮箱箱底的刚度影响,Larry D.Pinson基于线性薄膜理论推导了充液贮箱椭球箱底的纵向刚度模型,本文基于有限元方法进行了贮箱箱底刚度的数值求解,计算结果与文献方法进行了比较,计算结果一致,同时数值求解方法可以较好地解决厚度不均匀以及异型的贮箱箱底的刚度求解。     

超低温环境下非均质焊接件的力学性能研究

为揭示我国新一代运载火箭焊接构件在超低温环境下的力学性能与失效机理,并为提高焊接质量与贮箱的承载能力提供科学依据,本项目开展了超低温环境下非均质焊接件的力学性能研究。首先,叙述了基于数字图像相关方法(DIC)的铝合金焊接件低温力学性能试验原理并建立开放式超低温载荷环境模拟系统;其次,分别对熔焊和搅拌摩擦焊两种不同焊接工艺的焊接件进行详细的试验研究,分析了应力应变关系、沿载荷方向全场应变分布、应变集中系数等,结果表明搅拌摩擦焊试件整体的力学性能要优于熔焊试件。最后本文还对比分析了测试区域大小对测试结果的影响,表明在热影响区2~8mm范围内进行测量,其测量误差不超过8.8%。本文研究结果将为我国新一代运载火箭低温贮箱焊接工艺优化与改进提供科学依据。     

液体作用于贮箱分隔板上的载荷

本文就火箭贮箱中纵向分隔板上的晃动载荷进行理论推导,提供了横截面为圆形和圆环形贮箱中十字形纵向分隔板的晃动载荷计算方法。     

网格整体加筋贮箱圆筒壳结构优化设计

为完成网格整体加筋贮箱圆筒壳的结构优化设计,本文首先开展了网格整体加筋贮箱圆筒壳的有限元模型参数化研究;然后基于参数化模型,进行了网格加筋角度的优化设计和加筋尺寸与壁面厚度尺寸优化设计,讨论了网格尺寸和加筋角度与结构屈曲稳定性和质量之间的关系;并利用实验设计的方法构造响应面代理模型对网格尺寸和加筋角度进行了优化设计.通过以上参数化建模、代理模型构建和优化设计,得到了一套较为完整可行的网格整体加筋贮箱圆筒壳结构优化设计方法.最后还对研究过程中发现的问题进行了总结.     

等边三角形网格加筋壳轴压承载研究

随着新一代中型运载火箭研制的开展,贮箱焊接筒段的精细化设计成为结构减重、火箭提高运载能力的关键。对比分析国内外主要液体火箭贮箱筒段的不同网格加筋形式,发现三角形网格对轴压承载有着显著优势。随即对三角形网格加筋金属壳体的轴压承载能力展开算法分析、有限元计算和全尺寸级破坏试验的研究,最终验证等刚度铺层计算方法正确可行。理论分析和试验结果均表明,相比传统的斜置正交网格形式,三角形网格拥有更高的结构效率。按照结构最优原则设计的等重量三角形网格圆筒的轴压承载能力高出斜置正交网格15.3%左右。采用三角形网格加筋可有效减轻贮箱结构的重量。     

磨削工件表面含湿空气射流冲击的换热

针对磨削工件表面的射流冲击对流换热过程,一方面,通过数值研究,揭示旋转表面诱导的气旋和射流冲击的耦合流动换热特征;另一方面,通过实验研究,定量分析含湿空气射流冲击的强化换热效果。研究结果表明,当盘缘在射流冲击喷嘴附近的切向速度与射流冲击方向协调时,旋转盘诱导的气旋运动和射流冲击的耦合作用有利于改善磨削弧区的对流换热,随着转盘旋转速度的增加,其强化对流换热的效果更显著;采用含湿空气作为冲击射流可以显著提高加热壁面的冷却效果。     

雷诺数对半封闭紊流冲击射流流场影响的实验研究

通过采用热线风速仪给出了在半封闭、入射高度为2倍喷管直径时三种不同的雷诺数下紊流中冲击射流流场的详细的测量结果，并与文献结果作了比较。表明在上述条件下，雷诺数对主流速度的影响很小，对紊功能的影响也不太大，且主要集中在冲击区的近壁面部分。所得结果为数值计算冲击射流提供了实验数据。     

基于缺陷敏感性的大直径贮箱椭球箱底内压稳定性研究

薄膜理论解析法对考虑几何缺陷的贮箱椭球箱底的内压稳定性难以求解。利用有限元方法分析了一阶特征值模态缺陷和凹陷缺陷对大直径椭球箱底/筒段结构内压稳定性的影响。研究结果表明:一阶特征值模态缺陷的幅值小于壁厚的0.3倍时,屈曲载荷与缺陷幅值成反比,大于壁厚的0.3倍,屈曲载荷与缺陷幅值成正比;椭球箱底向外凹陷刚度比向内凹陷刚度大,相对于向内的凹陷缺陷,贮箱椭球箱底屈曲载荷对向外的凹陷缺陷更为敏感。     

贮箱意外的失稳及其预防方法

对薄壳贮箱来说,“负压”是一种危险的载荷。现用绝大多数贮箱,承受负压能力低于0.5大气压。在产品使用过程中,多次发生贮箱突然失稳现象。几乎全部贮箱破坏性事故都是由于负压失稳造成的。本文分析几种意外负压发生机理,说明预防方法,供今后设计使用时参考。     

受限空间内射流影响下主流内气固两相流动实验研究

为了研究壁面射流在受限空间内对不同粒径颗粒群分布的影响及其作用机理,搭建了横向矩形通道内的射流气固两相流动实验台.通过调整均匀流动段内的隔栅网数量和化置,在无射流条件下使不同粒径颗粒在高度方向上均匀充满整个横向通道.在主流雷诺数7.9×104,射流雷诺数1.8×104的条件下,采用PIV系统对流动通道中的气流场和颗粒分布进行测量.由瞬态涡结构图片发现,带主流受限空间内的射流涡结构与自由射流涡结构具有明显差异,存在不对称的连续涡结构发生、脱落与破裂过程.通过观察射流对不同尺度颗粒的影响,详细分析了射流对颗粒分布发生影响的两大机理,并由此预见了壁面射流控制手段在上程上的应用性.     

运载火箭/航天器耦合分支模态综合法(下)

将运载火箭作为主结构、航天器作为分支子结构,分别采用自由界面模态展开定理和固定界面模态展开定理,导出分支模态综合法,进行运载火箭/航天器组合模型响应分析。进而,采用界面约束模态质量的界面加速度,导出航天器载荷估计方法,这时的运载火箭与航天器连接界面可以是静定的或静不定的。当仅考虑连接界面是静定的情况,界面约束模态质量将退化为界面刚体质量,导出采用刚体界面加速度的航天器载荷估计的方法,这个方法所导出的公式与Chen的方法完全相同,而Chen方法的公式是由有限元法导出的。提出一种航天器载荷瞬态分析新技术:一个以前的运载火箭/航天器组合系统的载荷分析结果可以用来获得被相同的运载火箭发射的新航天器结构的动态载荷,这种方法比Chen的"恢复瞬态分析"方法更简便。     

矩形管湍流冲击射流场的PIV实验研究

湍流冲击射流在工程和军事工业中都具有广泛的应用。采用粒子图像测速(PIV)技术,在射流雷诺数为20000和喷口-冲击板间距为4倍喷管水力直径的条件下,对矩形管湍流冲击射流场进行了实验测量,得到了主射流区和冲击区附近测量截面上的平均速度和涡量分布。结果表明,由于射流的卷吸及其与环境流体之间的相互作用,使得射流边界处具有很高的涡量;在流场的流出区域存在一个显著的回流区,这是半封闭冲击射流场的特征结构之一。     

冲击射流火焰流场的LDV实验研究

搭建了基于激光多普勒测速仪（LDV）的冲击射流火焰流场实验平台,开发了固态粒子发生器、粒子回收装置和精密位移机构等装置,对单孔喷嘴（功率200W）、同轴喷嘴（功率1200W）的自由射流火焰流场和冲击射流火焰流场进行高精度测量,测量数据具有较高的准确性和可重复性。在冲击射流模式下,利用多个位置点的平均速度分量测量值进行流场重构,获得了冲击射流火焰流场基本特征。实验发现:在靠近冲击壁面区域距中心滞止点约1倍喷嘴直径处出现水平方向速度峰值,该点处可能会形成短冲击距离下换热强度的第二次峰值。在同轴射流工况中,外环同轴射流和中心射流间存在一个内部剪切混合层:在自由射流火焰模式下,该混合层随着射流的发展而耗散;在冲击射流火焰模式下,由于受到滞止区的作用,混合层向外扩张。