推进剂贮箱锥柱形金属膜片的翻转特性研究

基于MSC.Marc非线性有限元软件,对推进剂贮箱锥柱形金属膜片的变形进行仿真研究。模拟了膜片的翻转变形过程,分析了膜片翻转变形规律和失效因素,提出了膜片有效稳定翻转的条件。     

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。     

金属膜片贮箱膜片的数值仿真与试验验证

金属膜片贮箱中,膜片工作过程的设计计算至关重要,其翻转过程涉及到材料非线性、几何非线性等强非线性因素,传统的解析方法难以完成这样的计算。采用大变形弹塑性有限元法,用MSC.MARC软件对膜片的变形进行数值仿真,实现了膜片的翻转计算。膜片的翻转试验表明,数值仿真与试验结果吻合较好,分析方法合理可行。     

钛制金属贮箱膜片的有限元分析

为了优化钛制金属膜片设计,基于有限变形理论,采用大变形弹塑性有限元方法,对金属膜片的翻转过程进行了数值模拟,分析了膜片结构对其翻转行为的影响。仿真计算结果表明,支撑结构及贮箱内壳体的限位设计是保证半膜实现多次反复平稳翻转的重要部件。通过试验验证了钛制金属膜片的翻转过程。     

锥柱形加筋金属膜片变形的数值仿真分析

概述了金属膜片贮箱膜片结构的研究现状,提出了锥柱形加筋膜片整体结构变形问题。根据试验情况建立了该膜片的有限元模型,并基于非线性有限元软件MSC.Marc进行了数值模拟,分析了膜片结构的变形过程和变化规律,通过对加筋结构的分析解释了膜片变形的机理,得到了一些控制膜片失效的方法。     

一种并联金属膜片贮箱均衡排放控制措施研究

航天器飞行过程中,并联贮箱内同种推进剂排放不均衡会引起航天器的质心变化。为控制并联金属膜片贮箱的排放不均衡量,对并联金属膜片贮箱均衡排放控制措施进行了理论分析和试验研究,得出了一种能够有效控制并联金属膜片贮箱均衡排放的措施,采用该措施对某典型金属膜片贮箱不均衡量进行了理论计算。为验证并联金属膜片贮箱的均衡排放性能,根据金属膜片的选配原则选取金属膜片进行地面试验验证,并将理论计算结果与试验结果进行比对,结果表明,并联金属膜片贮箱不均衡量计算及控制措施正确、有效。     

防热层参数对金属隔膜翻转性能的影响

当金属隔膜贮箱的增压气体为高温燃气时,一般在金属隔膜靠近气腔一侧表面喷涂防热层,对内部的液体推进剂起到隔热作用.涂层的存在相应地增加了隔膜的厚度和刚度,对隔膜翻转会造成一定的影响,以往的研究都忽略了该因素.使用MSC.Marc软件采用大变形有限元法对带防热层金属隔膜的翻转过程进行仿真分析,研究了防热层的厚度、弹性模量等参数对贮箱隔膜翻转过程的影响,得到了防热层参数与翻转的临界载荷的关系.     

用于并联金属膜片贮箱均衡排放的一种控制方法

为控制并联金属膜片贮箱的均衡排放性能,对并联金属膜片贮箱均衡排放的控制措施进行了理论分析和试验研究,得出了一种能够有效控制并联金属膜片贮箱均衡排放的方法。本方法对使用并联金属膜片贮箱的推进系统具有借鉴意义。     

金属膜片充压翻转的动态仿真方法研究

弧长法是目前膜片翻转仿真使用最普遍的方法,但该方法存在收敛性差、计算效率低等问题。基于理想气体状态方程,建立锥柱形金属膜片充压翻转的流固耦合有限元模型,提出膜片充压翻转的显式动态仿真法。通过与基于准静态分析的弧长法分析结果和实验结果的对比,验证了显式动态仿真结果的合理性。研究了充气速度对膜片翻转过程中压差曲线和偏心程度的影响。所提方法计算效率高,解决了目前仿真分析中存在的收敛性问题,为金属膜片设计提供了一种重要的仿真技术手段。     

航天器贮箱用钛制隔膜变形过程的数值模拟

基于弹塑性大位移非线性有限元理论,建立航天器贮箱用钛制隔膜变形的有限元分析模型,并对有限元软件进行二次开发,首次通过编辑子程序实现了隔膜厚度的渐进变化及失效过程中隔膜的自动开裂,准确仿真出了隔膜在翻转变形过程中发生的褶皱、偏心与破裂等失效行为。依据此模型,分别对075 mm等厚隔膜及055~08 mm变厚隔膜的翻转过程进行了仿真,并对其翻转规律及失效机制进行了分析。研究发现,等厚隔膜在翻转过程中易产生褶皱,渐变壁厚隔膜翻转性能明显优于等厚隔膜,能克服褶皱的产生,但变厚隔膜在变形过程中易产生偏心。通过与试验对比表明,数值仿真能准确预测隔膜的变形规律与失效模式,为后续优化厚度分布提供了可靠的依据。     

顶部凹陷贮箱膜片典型结构特征优化实现

用正交法表数值研究了顸部凹陷区域直径与深度及膜片厚度典型结构特征对膜片翻转行为的影响,获得膜片在不同结构特征时的屈曲与后屈曲状态。研究发现：膜片翻转效率及屈曲载荷随厚度增加而提高,顶部凹陷直径对膜片翻转效率及屈曲栽荷的影响显著,深度仅影响屈曲载荷;膜片后屈曲阶段均出现平台效应,翻转稳定,说明顶部凹陷结构膜片利于完成推进剂的管理与控制功能。由屈曲载荷与翻转效率,得到了凹陷直径与深度及膜片厚度优化选择范围。     

并联贮箱不平衡输出及其解决途径

分析了空间飞行器推进剂贮箱并联设置时产生的不平衡输出问题，从工程角度估计了不平衡输出的程度。对于不允许测量贮箱压降的金属膜片贮箱，在其出口设置气蚀文都利管是解决并联贮箱不平衡输出的简单而又有效的方案。     

推进系统并联贮箱均衡排放性能及其控制措施

推进系统在工作过程中,贮箱排放的不均衡性将引起飞行器质心偏移,产生干扰力矩。对空间推进系统并联工作的金属膜片贮箱均衡排放的影响因素进行了分析,结合均衡排放的控制措施对某型号推进系统工作过程中的排放不均衡量进行了预计,并与飞行试验结果进行了比对。飞行试验结果表明控制措施可行、有效。     

膜片阀破裂压力稳定性研究

膜片破裂压力是膜片阀最关键的性能参数,由于影响因素较多,通常膜片破裂压力散差较大,不容易满足系统的使用要求。为提高膜片阀破裂压力稳定性,通过理论分析和应力计算,从原材料、加工、测量和试验系统等方面,对影响膜片破裂压力的各因素进行了梳理和分析,提出需进行着重控制的3个影响因素,包括材料抗拉强度、刻痕剩余厚度和试验系统,并通过了某姿控动力系统贮箱后膜片组件研制的验证。研究结果表明,通过对材料抗拉强度、刻痕剩余厚度和试验系统进行严格控制,能够有效提高膜片阀破裂压力稳定性,该方法可推广应用于同类产品的研制。     

空间推进系统在轨有关热控问题分析

文章基于空间推进系统热控的特点,针对长期在轨航天器推进系统热控面临的贮箱膜片热胀冷缩疲劳和机组阀门超温问题进行机理分析,归纳贮箱热控和发动机、推力器高温工况相应的解决措施及难点,结合某型号实际提出解决方案,并对改进后的效果进行分析预示,给出长期在轨航天器热控方案设计建议。     

推进剂贮箱结构变厚度优化

建立了推进剂贮箱的有限元分析模型,并完成了TC4合金和铝锂合金两种不同材料推进剂贮箱的变厚度优化设计。将贮箱划分为不同的区域,选择各个区域的厚度作为设计变量,以各个区域的最大von-Mises应力不超过许用应力作为约束条件,建立以贮箱结构总体积最小为优化目标函数的数学模型,选择“零阶优化“方法获得最优设计参数。计算结果表明该优化方法是有效的,最高减重比高达35.1%,可以用于指导工程实际。     

隔舱式脉冲发动机金属膜片破裂仿真研究

为实现隔舱式脉冲发动机的多脉冲开启功能,设计了十字型、V字星型、米字型、圆弧星型、矩形星型和星圆复合型金属膜片式隔舱结构。根据平板脆性断裂模型的表面裂纹参数的计算公式,分析得到了金属膜片裂纹深度b与临界应力σ_c的关系及临界应力σ_c、临界尺寸a_c与临界应力强度因子K_(IC)的关系;通过三维有限元数值仿真的瞬态动力学分析,发现了六种金属膜片应力均集中在膜片中心及沟槽部位,膜片将首先从这些部位裂开;探索了一种预估金属膜片打开压强的方法,即通过模拟不同峰值压强下膜片的最大主应力,得到最大主应力-峰值压强曲线,则该曲线与临界断裂应力直线的交点对应的压强值,就是金属膜片的打开压强。由此得到了六种结构类型金属膜片的Ⅱ脉冲打开压强预估值,用该方法预估的膜片打开压强1.25 MPa与实际发动机打开压强1.4 MPa相近,表明该预测方法是可行的。     

低温贮箱环缝焊接工艺

通过研制、改进焊接工装 ,完善装配、焊接工艺 ,基本上解决了低温贮箱装配错位和对合间隙不均匀问题 ,提高了焊缝一次交检合格率 ,大大减少了贮箱焊接后的变形量 ,提高了贮箱环焊缝的质量和可靠性。     

贮箱容积偏差及测量精度分析

贮箱一般采用称重法进行容积测量,但测量值与理论设计值偏差较大。分析了贮箱在生产制造、液压试验、介质加注、称重、容积计算和变形等环节出现偏差的原因。通过贮箱计算实例分析了各环节偏差大小,提出了减小偏差的对策,并对贮箱容积测量提出了改进方案。     

脉冲发动机中金属膜片式隔舱动态破坏过程研究

为了实现固体火箭发动机的多脉冲启动功能,设计了一种金属膜片式隔舱(PSD)结构,利用断裂力学理论和圆板大挠度理论建立了金属膜片的设计公式,根据燃烧室的使用要求确定了打开压强为2.2 MPa的金属膜片尺寸,利用脆性断裂模型模拟了膜片的破坏过程,得到其打开压强为2.15 MPa,有限元数值计算结果与公式计算结果符合较好。设计了金属膜片打开破坏的单项试验,5次试验平均打开压强为2.10 MPa,数值模拟的破坏形式与试验结果一致。通过区间估计,计算了膜片真实平均打开压强置信度为90%的置信区间为[1.90 MPa,2.30 MPa],该范围可以较好满足脉冲发动机的使用要求。