宇航钛合金气瓶优化设计与实验验证

本文用有限元法对7升TC4钛合金气瓶进行应力分布计算和结构优化设计，并用水压爆破试验对优化结果进行试验验证。结果表明：结构优化设计使气瓶接嘴部分最大经向应力降低136MPa，约13％，7升气瓶减重210g，约7.7%，提高了气瓶的实际水压爆破压力。     

球形高压复合材料缠绕气瓶的缠绕层结构研究

对球形高压复合材料缠绕气瓶缠绕层结构进行了理论分析,并根据气瓶受力分析及其网格理论的计算方法,编制了一套计算软件程序,按此软件程序计算了气瓶缠绕层结构,利用ANSYS大型有限元程序建立气瓶缠绕层模型并进行了强度校核,经过鉴定试验分析,验证了气瓶缠绕层工艺结构设计的合理性。     

碳纤维缠绕复合气瓶的有限元数值分析

在仅考虑内压作用下,参考DOTCFFC标准对碳纤维缠绕压力容器在不同工况的应力、应变分布进行了有限元数值模拟研究。采用MSC.Marc大型有限元程序建立纤维缠绕复合材料气瓶的有限元模型,建模过程中将纤维缠绕层视为复合材料层合板处理,并对封头处缠绕层厚度及缠绕角进行简化处理。通过有限元数值计算,确定了气瓶的最佳预紧压力。计算中考虑了纵向缠绕角的变化在爆破压力下对气瓶的影响。数值计算结果表明:气瓶的应变以瓶身中部和肩部两侧的环向处应变最大,而气瓶肩部的变形并不明显。通过气瓶承受内压爆破试验的实验验证与数值计算结果基本符合,表明模型的简化和建立是合理可行的。研究结果为复合材料气瓶的优化设计提供了理论依据。     

纤维缠绕高压气瓶封头型面设计及应力估算

文章以“网格理论”为基础，对纤维缠绕高压气瓶封头部分的纤维应力进行了估算，并从力学要求以及缠绕规律出发，推导了“平面型封头”的型面方程，提出了适用于工程设计和加工的数值解法。推导的结果主要适用于短粗类型的压力气瓶、贮罐以及固体火箭发动机外壳的设计计算。     

钛合金气瓶、贮箱系列化的分析与研究

通过对我国航天用钛合金气瓶和贮箱的生产使用情况的调研与国外资料查询,对比分析了国内外气瓶和贮箱系列化的现状,提出了系列规格的确定原则和具体参数值的计算方法,并对气瓶和贮箱的选择与系列化提出了建议。     

挤压式供应系统气瓶压力仿真

以挤压式液体火箭发动机为研究对象,对发动机推进剂供应系统工作过程进行了理论分析,利用AMESim软件建立了仿真平台,计算了发动机工作过程气瓶压力。将仿真计算结果与试车数据进行对比,结果表明仿真计算结果与试车数据一致性较好,验证了仿真模型建模思路的正确性,为气瓶压力计算提供了一种方法。     

卫星气体工质剩余量高精度显式计算方法

为获取卫星气体工质在高压下的剩余量,研究气体密度的不同算法,结果显示:基于理想气体状态方程的密度计算在高压下存在误差;Redliche-Kwong（RK）方程对氮气密度的计算与NIST数据库查询结果最为接近。为在判读卫星实时遥测数据期间快速获取气体工质剩余量,基于数学拟合公式提出一种气体工质剩余量的显式计算方法,并采用气瓶容积随压力变化的线性模型对气瓶膨胀的影响进行修正。地面试验结果表明,该显式计算方法与实际测试结果符合良好,气瓶随压力的膨胀量呈线性变化,气瓶容积修正能够有效减小计算结果的误差。该方法针对某卫星冷气推进系统的计算结果显示,计算剩余量的不确定度为180 g,相对不确定度为0.62%。     

复合材料环形高压容器缠绕参数设计与分析

针对诸如环形气瓶等圆环状压力容器的缠绕，提出同时满足结构特性和缠绕工艺性的参数设计方法以符合实际工程需要。推导了圆环面纤维不架空和不滑移判据；根据内压作用下纤维螺旋加环向缠绕环壳的平衡方程，考虑截面厚度变化和缠绕初始条件，给出了均衡缠绕参数及线型的确定方法，讨论了在不同管径比和厚度比下该线型路径的稳定性；以螺旋向铺层的初始缠绕角和厚度为变量，对结构进行重量最小化设计。作为算例，对纤隹缠绕环形高压气瓶在爆破压强为40—80MPa的范围内进行优化设计。结果表明，优化设计的均衡缠绕线型模式睛确可靠，满足纤维缠绕的基本要求，能充分发挥缠绕结构的力学性能。本文的设计计算方法可直接用于复合材辞环形气瓶的初步设计。     

某气瓶结构振动断裂故障分析及改进措施

分析了某气瓶在振动试验中出现的耳片断裂故障,从结构动力学的角度揭示产品破坏的根本原因,给出改进思路,并结合实际产品提出多种修改模型,然后通过动力学仿真计算进行改进效果的对比,从而确定最佳的修改方案.最后,对改进后的气瓶结构进行随机振动试验,试验结果表明：振动过程中,气瓶改进结构在原结构破坏位置的动应力得到明显的降低,避免结构疲劳破坏,改进可行有效.     

钛合金半球体的超声波探伤方法

为保证钛合金气瓶半球体内部质量，需对其进行无损检测，从超声波探伤原理出发，经四年的实践，用超声波探伤方法成功对气瓶半球体进行了内部检测，介绍了半球体超声波探伤原理、探伤方法及探伤参数的选择应用。     

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。     

空间压力容器可靠性定量设计方法研究

针对空间压力容器常规设计方法难以满足航天技术快速发展对轻质量、低成本、高可靠的需求,基于可靠性理论中应力-强度干涉模型,建立空间压力容器可靠性设计数学模型。结合某型号钛合金球形气瓶随机变量统计数据,开展了气瓶可靠性定量设计。计算结果表明,可靠性定量设计方法能够给出产品可靠度定量指标,并在一定程度上降低空间压力容器结构重量。     

纤维缠绕厚壁柱形压力容器的应力和变形

研究了各向同性材料内胆对称缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的变形和应力.采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论,利用解析方法获得了纤维层和内胆的变形和应力,以及纤维方向的应力;对壁厚较厚和不同缠绕角,更准确地揭示纤维向应力和内胆应力.比较了分别用玻璃纤维环氧和炭纤维环氧缠绕铝内胆和钢内胆的容器在内压作用下,不同缠绕角方案中内胆和纤维向应力分布.研究表明,壁厚对不同缠绕角容器的应力和变形影响不同,总体影响较小;从降低内胆的等效应力和充分发挥纤维纵向强度角度看,炭纤维缠绕铝筒最好;横向强度和剪切强度是缠绕复合材料容器的主要控制参数,缠绕工艺需要提高这些指标以充分发挥纤维纵向强度.     

基于AMESim的往复作动活塞缸性能仿真研究

介绍了某介质联合供应系统,对其中的关键部件——往复作动活塞缸的工作原理进行了说明。建立该系统的仿真模型,模拟了不同介质时活塞缸的工作性能。仿真分析了出口负载、气瓶压力、泵出口压力对活塞缸性能的影响。仿真结果表明该系统可以正常工作,但需要在使用过程中正确匹配气瓶压力和泵出口压力。     

碳纤维复合材料贮箱内压和低温承载行为研究

碳纤维增强聚合物复合材料具有轻质高强的优异特性,是液氢液氧燃料贮箱的理想材料。然而液氢液氧燃料贮箱在服役时要承受极低温度载荷,复合材料贮箱箱体的低温结构可靠性尚未可知。开展了碳纤维/环氧复合材料缠绕贮箱结构在温度和内压载荷下的变形及损伤研究,分别进行了常温/低温抗渗漏测试,结合应变测量、声发射监测、氦质谱检漏等方法分别研究了内压以及低温工况对复合材料贮箱的应变分布及损伤泄漏状态影响机制。研究结果表明,封头与圆筒区域交界处易产生应变集中,低温载荷导致复合材料局部小幅度基体损伤及纤维/基体界面脱粘,但并未影响贮箱箱体承压性能和气密性。本研究可为未来大型航天器减质设计提供参考。     

碳纤维湿法缠绕基体配方及成型研究

研究了碳纤维增强复合材料用湿法成型工艺、基体配方的性能和使用期。研究的HTllA、HTllB两种配方浇注体拉伸强度达到100MPa以上。模量为3．9GPa．力学性能优良。配方具有较高的耐热性。使用期大于9h，完全适用于湿法缠绕成型。缠绕的~H50mm碳纤维增强复合材料容器特性系数(Py／Ⅳ)均大于34km．纤维强度转化率(K)达到82％以上。     

高温高压下的燃气／空气热管换热方案

以高温高压燃气加热高压纯空气为研究背景,用平均温差法对气-气热管换热器设计计算,进行结构方案设计,采用有效度-传热单元数法对换热器传热进行校核计算。设计换热器为圆柱形筒壁结构,出口为渐缩型喷管结构,采用半轴比为2／1的椭圆形热管。     

固体火箭发动机壳体特性系数

讨论了固体火箭发动机壳体特性系数的定义,给出了钢壳体和纤维缠绕壳体特性系数的表达式。结果表明,壳体特性系数不仅与壳体材料的比强度有关,还与壳体封头结构及圆筒长径比有关;对纤维缠绕壳体,特性系数还与纤维的体积含量有关。因此,将壳体特性系数作为壳体材料的性能常数是不正确的。在其他条件相同的情况下,增加圆筒长度是提高壳体特性系数的有效方法。     

纤维缠绕圆筒压力容器结构分析

对具有内衬的纤维缠绕圆筒压力容器进行了结构分析。将内衬作为各向同性材料,纤维缠绕圆筒作为正交异性材料处理。在内压作用下,得到了内衬和纤维缠绕圆筒的弹性应力和应变。讨论了内衬和纤维缠绕圆筒材料选取和结构设计准则,即应选取弹性模量很低,强度较高和塑性良好的材料作内衬;选取模量和强度都较高的纤维缠绕圆筒;内衬壁厚应尽可能薄,且与纤维缠绕圆筒粘接牢固。算例表明,弹性应力分析结果与测试值符合良好。     

内压作用下壳体刚度对药柱强度的影响

在厚壁圆筒内、外压强作用下弹性应力解的基础上,利用三维问题的应力-应变关系,得到了厚壁圆筒内的应变和位移表达式;由圆管型药柱与复合材料壳体连接处的径向位移连续性条件,得到了内压作用下药柱与壳体之间的压强;讨论了该压强对药柱内应力和应变的影响,给出了药柱内的应力和应变表达式.结果表明,提高壳体圆筒的刚度或减小药柱的m数,...