第二代表面张力贮箱的研究与应用进展

为了对国外新型卫星推进剂贮箱的研究动态进行跟踪，对第二代表面张力贮箱的研究与应用进展做了阐述。首先对比了不同类型推进剂贮箱的特点，在此基础上，从试验研究、数值模拟和实际应用三个角度对第：二代表面张力贮箱——以板式结构为主的表面张力贮箱的发展做了综述。研究表明，国际上已经对第二代表面张力贮箱的性能做了大量的数值模拟和搭载试验，如今第二代表面张力贮箱已经成为当今国际大型卫星推进剂贮箱的主流。这为新型卫星推进剂贮箱的研究指明方向并提供有价值的参考。     

基于量纲分析的弹塑性应力强度因子探讨

以Ⅲ型裂纹(反平面剪切)问题为例,对裂纹尖端弹塑性应力场进行了分析研究。首先,基于断裂力学基本理论,引入弹塑性本构关系,推导弹塑性裂纹尖端场;其次,依据线弹性场中应力强度因子的定义和基于J-积分的弹塑性裂纹尖端应力场的分布,并结合物理意义,定义了与线弹性场应力强度因子一致的弹塑性应力强度因子,来表征弹塑性裂纹尖端应力场的强度;最后,对本文所定义的弹塑性应力强度因子进行了合理性分析,说明了本文定义的适用性。本文所定义的弹塑性应力强度因子,相比于表征弹塑性场的J-积分,具有更明确的物理意义和更简明的表达形式;为弹塑性裂纹尖端场的分析和含裂纹材料弹塑性破坏判据的建立提供了理论方法。另外,本文方式也适合于定义Ⅰ型和Ⅱ型问题。     

HTPB推进剂低温裂纹扩展特性试验研究

使用中间穿透型平板裂纹试件开展不同温度下Ⅰ-型裂纹扩展试验,研究了温度对HTPB推进剂裂纹扩展特性的影响。使用改进割线法计算了不同温度下推进剂的裂纹扩展速率,得到了其裂纹扩展阻力曲线,并对裂纹扩展速率与Ⅰ-型应力强度因子进行了回归分析。研究结果表明,在低温下推进剂的裂纹扩展速率比常温时要大,温度越低,裂纹开始扩展的时间越短。不同温度下推进剂的裂纹扩展速率与Ⅰ-型应力强度因子都满足幂函数关系。     

固体推进剂/衬层界面裂纹的指数型分层界面层模型

建立了固体推进剂/衬层界面裂纹的指数型分层界面层模型,该模型将界面层划分为多个子层,并在每一子层中用指数函数表示界面层初始模量的分布。应用Fourier变换方法推导出一个Cauchy型奇异积分方程组,采用配点数值方法得到平面应力状态下裂纹问题的半解析解,并讨论了法向和剪切应力加载下界面层参数对应力强度因子的影响。结果表明,界面层模量降低时,应力强度因子的绝对值显著减小;界面层厚度对应力强度因子的影响相对不明显。     

运输环境中火箭贮箱强度可靠性仿真

应用蒙特卡罗模拟方法计算运输环境中火箭贮箱强度可靠性，建立了火箭贮箱强度累积损伤模型，采用直接模拟法随机模拟应力和火箭贮箱初始强度来获取火箭贮箱的可靠度，并结合实例进行了仿真验证。该算法为分析随机载荷下火箭可靠性提供了依据。     

陶瓷材料小裂纹的生长与聚合

对陶瓷材料小裂纹的生长与聚合规律进行了试验研究。结果表明由Ｖｉｋｅｒｓ压痕法引入的单个小裂纹的裂纹扩展速率（ｄａ／ｄｔ）随裂尖应力强度因子的增大呈先降后升的Ｖ形特征。理论分析和数据处理均表明这种特征是由压痕法引入的残余应力场的影响所致。试验结果还表明多个小裂纹的生长与聚合规律也与残余应力场密切相关。文中提出的叠加残余应力场模型很好地解释了上述试验结果     

Ⅱ级贮箱试验件的焊接与矫形

Ⅱ级贮箱采用薄壁焊接结构,分布有六个法兰盘环形焊缝和三条纵向焊缝,对确保尺寸精度和形状精度起重要作用,因而相应地提高了技术要求。利用逐点挤压矫形法延展焊缝使之与焊缝收缩相抵消以消除变形。工艺参数的选择得当与否,对矫形有显著效果,而且在矫形的同时可改善焊接头的残余应力状态。     

基于裂尖塑性区的复合材料复合型裂纹断裂准则

基于Tsai-Hill强度理论,在平面应力条件下,推导了复合材料Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹塑性区尺寸表达式,分析了裂纹扩展方向与裂纹尖端塑性区的关系,推广并证明了R准则在复合材料裂纹扩展方向预测中的适用性.数值算例分析了不同纤维方向和裂纹倾斜角对复合材料复合型裂纹开裂角的影响.结果表明,R准则是一个通用的断裂准则,适用于预测各向同性材料和复合材料各种裂纹的扩展方向;纤维方向和裂纹倾斜角对断裂角的影响较明显,可能是导致复合材料复杂断裂机理的原因之一.     

在低微重力下卫星液体晃动力学应用研究

研究充液航天器任意旋转对称偏置贮箱在低微重力情况下的小幅液体晃动问题,通过引入惯性张力强度因子,采用混合加权剩余法,建立低重、微重以及失重情况统一求解的有限元数值模型,并编制具有工程实用性和通用性的计算机分析软件,针对几种贮箱的液体晃动问题进行了计算,应用表明该软件可为复杂航天器的液体晃动设计提供有效的工具。     

金属膜片贮箱膜片变形的数值模拟与失效分析

根据弹塑性有限变形理论，用有限元法建立了卫星推进系统贮箱金属膜片变形的有限元分析模型。在一定条件下，模拟了贮箱金属膜片的变形翻转过程，分析其翻转的特点，以及变形过程中表面压力、顶点径向位移和卷边处应力的变化，并给出了膜片失效原因。研究表明，数值模拟与试验结果较为吻合，所建分析模型合理。     

铝合金联装架焊接残余应力和变形数值模拟

基于SYSWELD有限元分析软件,以某新型战术型号铝合金联装架为产品对象,选取支撑框配对组件、弹位组件和立方体组件为典型结构件进行焊接残余应力和变形数值模拟,以期表征铝合金联装架焊接过程的残余应力分布和变形趋势。结果表明:焊缝及其附近热影响区的Von-Mises应力较高,甚至超过了5A06铝合金材料的常温屈服强度;支撑框组件焊后最大变形出现于长矩形管中央,约为6.44 mm;弹位组件的焊接变形整体表现为凹向三维结构内腔,焊接变形也多集中在长矩形管上,最大变形约为5.21 mm。另外,采用对称分散焊过程产生的焊接变形量小于逐条焊缝焊接过程,但焊接残余应力趋势则相反。     

固体火箭发动机界面脱粘裂纹分析

使用有限元法,在裂纹尖端周围布置有限奇异裂纹单元以模拟裂纹尖端附近的奇异性。针对轴对称发动机头部的界面脱粘裂纹,计算了点火内压作用下,发动机衬层/药柱、壳体/绝热层界面不同深度脱粘裂纹尖端的应力强度因子,指出应力强度因子随裂纹深度的发展规律。结果表明,当裂纹深度较小时,衬层/药柱界面处于闭合状态,应力强度因子几乎不发生变化,随着裂纹深度的增加,裂纹呈张开状态,裂纹尖端的应力强度因子不断增大;壳体/绝热层界面裂纹总是处于张开状态,且应力强度因子随裂纹深度的增加而增大。     

卫星贮箱故障时液体燃料运动特性仿真分析

不少在轨卫星都使用半管理液体燃料贮箱,贮箱内的液体收集器上安装有表面筛网,可阻止贮箱内气体在发动机工作时通过收集器进入到液体燃料管路中.文章假设卫星液体燃料贮箱的底部收集器出现故障,无法阻止气体进入发动机管路.为确保卫星正常在轨运行,利用计算流体动力学数值仿真方法,对液体燃料贮箱在卫星姿态控制发动机工作时的运动规律进行...     

液氧贮箱增压过程研究

采用数值模拟方法对液氧贮箱增压过程进行研究.贮箱内流场采用流体体积函数（VOF）多相流模型考虑,选择标准双方程k-ε湍流模型分析湍流效应,气液两项之间的热量、质量转移通过自定义程序（UDF）求解.获得了贮箱压力、排液流量、气垫温度、液氧温度对贮箱内流场温度分布的影响.计算结果表明,在稳定增压过程中,贮箱液面无扰动,贮箱内温度分层分布;各参数变化时,对贮箱内温度分布的影响主要是温度梯度的变化,并且各工况下液面附近和扩散器附近温度梯度基本相同.     

过冷度对飞行器贮箱热力学排气系统性能的影响

为了研究低温推进剂贮箱的压力控制特性和热力学排气系统的运行特性,建立了耦合贮箱内流体流动相变过程与热力学排气系统(TVS)的数学模型,对TVS系统运行后贮箱的压力和温度变化进行了仿真计算。在以液氮为贮存工质的低温流体高效贮存平台上,进行了仿真模型的验证。分析了不同液体过冷度对低温贮箱温度和压力控制特性的影响。研究发现,在相同的在轨贮存周期内,对于饱和状态的液氢和液氧,TVS只有在排气模式下才能实现低温贮箱的压力控制,而对于过冷状态的液氢和液氧,TVS只需进行混合模式运行便可实现低温贮箱压力控制,且TVS混合运行时间随液体过冷度的增加而减少,16 K液氢时TVS的运行时间(546 s)相比于20 K液氢(663 s)减少了17.6%,78 K液氧时TVS的运行时间(2 760 s)相比于90 K液氧(16 469 s)减少了83.2%。过冷液体与气枕的混合可以实现低温流体在轨贮存过程中的零排放。     

在低微重力下卫星液体晃动力学应用研究

研究充液航天器任意旋转对称偏置贮箱在低微重力情况下的小幅液体问题，通过引入惯性张力强度因子，采用混合加剩余法，建立低重，微重以及失重情况统一求解有的限元数值模型，并编制具有工程实用性和通用性的计算机分析软件，针对几种贮相的液体晃动问题进行了计算机，应用表明该软件可为复杂航天器的液体晃动设计提供有效的工具。     

固体药柱裂纹的动态应力强度因子有限元数值分析

简要介绍了断裂动力学方法及动态应力强度因子的概念。根据断裂动力学方法，分析了推进剂星型药柱平面应变裂纹在阶跃载荷作用下裂纹动态应力强度因子（DSIF）响应情况，并与静力计算结果比较，数值结果表明动态应力强度峰值比静力值要大得多。     

微重力环境中重力梯度加速度引起的流体晃动运动

本文研究了关于旋转轴在贮箱的非对称轴上且远离贮箱的几何中心情况下，流体在微重力环境中由重力梯度加速度诱发的晃动特性，建立了问题的数学模型并对模型进行了数值模拟。以高级Ｘ射线天文物理实验卫星（简称ＡＸＡＦ─Ｓ）作为研究对象，获得了由旋转运动引起的重力梯度加速度的数学表达式。晃动问题的数值计算以与卫星固连的非惯性坐标系为基础，目的是寻求一种较为易处理且适合于流体力学方程的边界和初始条件。通过数值计算获得了流体作用于卫星贮箱上的力和力矩。     

LD10高强度铝合金薄板的焊接

LD10是一种热处理可强化的高强度铝合金,其薄板是运载火箭推进剂贮箱常用的材料,这种薄板焊接后变形量大,热裂纹倾向性大,易产生过烧,构件焊接后质量不易保证,本文从工艺角度出发就如何控制变形和避免裂纹产生作一介绍.     

微重力环境中重力梯度加速度引起的流体晃动力和力矩的模拟

本文研究了关于旋转轴在贮箱的非对称轴上且远离贮箱的几何中心情况下，流体在微重力环境中由重力梯度加速度诱发的晃动特性。我们以精密Ｘ光光谱天文物理实验卫星（简称ＡＸＡＦ－Ｓ）作为研究对象，获得了由于旋转运动引起的重力梯度加速度的数学表达式。关于晃动问题的数值计算是用与卫星固连的非惯性坐标系为基础，目的是寻求一种较为易处理且适合于流体力学方程的边界和初始条件。通过数值计算获得了流体作用于卫星贮箱上的力和力矩。