复合材料壳体固体火箭发动机温度载荷下力学响应分析

基于非线性有限元数值仿真分析方法,使用有限元计算软件ABAQUS,分别建立金属壳体与复合材料壳体两组发动机仿真模型,分析复合材料壳体固体发动机的结构完整性,并研究复合材料壳体的各项参数对于发动机装药和壳体的应力场的影响。分析结果表明:在温度载荷下,选用复合材料壳体的端燃装药固体发动机比选用金属材料壳体的发动机具有更好的结构完整性。随着复合材料壳体厚度的增大,装药的应力、应变值均增大,壳体的应力逐渐减小;随着复合材料壳体弹性模量增大或泊松比减小,装药的应力、应变逐渐减小,而壳体的应力、应变逐渐增大。     

碳纤维复合材料壳体轴压稳定性分析与试验验证

针对碳纤维复合材料壳体轴压稳定性问题,提出了理论推导、数值模拟和试验验证相结合工程计算方法,获得了铺层相关参数对轴压稳定性的影响规律。基于层合板理论,计算了碳纤维复合材料壳体的等效弹性常数;以150 mm碳纤维复合材料圆筒为研究对象,通过壳体破坏性轴压试验,验证了理论计算和有限元数值模拟的正确性;计算了碳纤维缠绕角及增加0°铺层对复合材料弹性常数的影响规律。研究结果表明,通过引入修正系数k=0.4,理论计算结果与实际轴压破坏载荷较为接近;通过增加0°铺层数,能够大幅度地提高壳体刚度,且对刚度提升的贡献远大于所引起的重量增加。复合材料刚度是决定壳体临界轴压载荷的关键因素,固体发动机设计过程中增加材料刚度可有效提升其轴压稳定性。     

某型号离心机吊篮拓扑优化设计

在某型号离心机吊篮设计中,采用了拓扑优化设计。根据离心机吊篮的最大外形尺寸、连接边界、承载质量、离心机最大加速度值等参数,确定了拓扑优化的设计区域、载荷条件、边界条件,并用ANSYS建立了其有限元模型。以整体刚度最大为目标,根据吊篮质量要求施加拓扑优化约束条件,建立了吊篮拓扑优化的数学模型。采用TOSCA软件进行优化求解。拓扑优化后结构质量满足约束条件,刚度显著提高。     

机载发动机药柱在温度循环载荷下的力学响应分析

针对机载导弹固体火箭发动机在地面常温贮存和高空低温下挂飞的实际情况,利用ABAQUS有限元软件计算分析了HTPB推进剂药柱在飞机多次起降过程中形成的温度循环载荷下受到的热应变分布,研究了循环次数和挂飞时间对药柱温度场和应变场分布的影响规律,重点分析了药柱内几个特征点的温度和应变随循环次数、挂飞时长的变化,基于以上分析对药柱结构完整性进行了失效评估。结果表明,在挂飞阶段结束时刻,最低温度位于燃烧室外表面,最大应变始终位于药柱内孔;在一定循环次数内,药柱所受热应变随次数的增加有所增大,而挂飞时长的增加会使药柱受到的热应变明显增大,对装药结构影响更加显著。仿真结果对后期进行推进剂试验研究和发动机挂飞工况下的安全设计都具有实际参考意义。     

旋转惯性过载作用下结构拓扑优化设计研究

为实现再入体结构轻量化设计,开展了旋转惯性过载作用下再入体结构拓扑优化设计技术研究。本文利用灵敏度“逻辑与“综合方式的多工况结构拓扑优化设计方法,结合惯性载荷作用下拓扑灵敏度分析,研究了旋转惯性过载作用下再入体结构拓扑优化设计。针对锥筒形支架结构,以整体刚度最大化为目标函数,材料用量为约束条件,进行了结构拓扑优化设计,得到了合理的优化构形。     

基于拓扑优化的冲压发动机主安装节承力结构设计

针对冲压发动机主安装节承力结构优化,开展集中力扩散结构设计。首先采用工程方法设计放射肋扩散结构方案,然后开展拓扑优化设计。通过平板结构优化算例验证适合此类工程问题的内力均匀性约束条件,采用全域粗网格模型求解优化设计域、精细网格模型求解结构方案的二轮优化迭代的拓扑优化方法,得到最终优化结果。通过工程设计法与拓扑优化方法的对比,证明拓扑优化方法更适合处理多方向、多工况载荷的集中力扩散结构工程问题。结构拓扑优化方案对比放射肋方案：结构质量减轻2.6%;对应最大载荷(工况3)的结构最大变形量减少4.4%,结构最大应力减少10%;集中力扩散效果更好。设计方法的有效性得到验证,为集中力扩散结构优化探索出实用的设计思路和方法。     

动态载荷下的喷管运动结构拓扑优化设计探讨

基于等效静态载荷法(ESL)的设计思想,针对可调喷管在复杂动态力热载荷下的结构优化问题,提出通过刚体动力学仿真提取动态力载荷,按照运动过程分离成多个工况,将动态载荷下的结构优化问题转化成静态载荷下的多工况联合结构优化问题,简化了问题的求解难度.通过这种方法对喷管运动结构开展拓扑优化得到改进结构,开展多工况力热载荷仿真修...     

应用OptiStruct软件的太阳翼基板结构优化

应用Altair OptiStruct软件独有的复合材料优化技术,针对非连续铺层复合材料,对某卫星太阳翼基板结构进行了优化设计。整个基板结构优化设计过程包括两个阶段：概念设计阶段和系统设计阶段。首先,在概念设计阶段利用自由尺寸优化模块,对太阳翼基板结构进行了拓扑优化;然后,在系统设计阶段利用尺寸优化模块完成了铺层厚度的优化。在经验设计方案中,太阳翼基板面板质量为3.6kg,经优化设计后,基板面板质量为1.7kg,减少了53%。     

空间多载荷高精度拼接支撑结构的优化设计

针对遥感卫星在多载荷高精度拼接扩大幅宽时需保证成像质量的要求,考虑多载荷之间的耦合,对支撑结构进行空间布局优化以及结构/热控一体化设计.应用改进的Heaviside密度滤波拓扑优化方法获取最优结构/热控的材料分布形式,结合多目标遗传算法进行详细优化设计,获取支撑结构质量、一阶固有频率和载荷安装面面形精度的Pareto前...     

大型对日定向装置大开口复合材料主承力架传力设计及验证

根据大型对日定向装置的结构特点和受力特性，调整传力结构，充分利用纤维增强复合材料结构的可设计性，开展优化设计。在保证高刚度和轻量化的同时，克服结构大开口带来的承载能力不足，设计出结构质量与承载比仅为5.2%，集舱段和壳体功能于一体的大型对日定向装置复合材料主承力架结构。建立有限元模型，分别采用Tsai-Wu和最大应变2种纤维增强复合材料的强度失效准则，对其进行校核。开展静力试验，采集应变等信息，与有限元仿真分析结果展开对比。结果表明:其整体趋势一致，顺利通过试验考核。     

共固化粘弹性复合材料的结构多目标进化优化设计

共固化粘弹性复合材料结构兼具结构承载和阻尼减振能力,设计时需同时考虑强度、刚度、质量和阻尼性能等指标要求,且设计变量众多,因此传统的设计方法难以实现结构的优化设计。本文建立了共固化粘弹性复合材料结构的多目标优化模型,优化目标为结构质量最小化和模态损耗因子最大化,设计变量包括铺层厚度、方向角和阻尼层厚度,并考虑结构动刚度的约束条件。阻尼结构的分析采用基于有限元法的模态应变能法,进化优化采用改进的非支配排序多目标遗传算法(NSGA-II)。最后的优化算例表明将多目标遗传算法应用于共固化粘弹性复合材料结构阻尼/结构一体化设计的可行性。     

基于HyperWorks的折叠翼结构优化设计

基于HyperWorks商业软件,利用连续体拓扑优化技术对某折叠翼结构进行结构设计。该设计问题以折叠翼翼梢部分的单元相对密度和蒙皮厚度作为设计变量,以结构应变能最小作为结构优化目标,包含质量约束和单元应力约束。根据通过拓扑优化得到的最优结构拓扑形式重新进行建模和分析,得到满足刚度和强度要求的折叠翼结构。     

基于多尺度的固体火箭发动机复合材料壳体及其缠绕纤维强度精确预示

针对纤维缠绕成型过程中存在纤维交叉起伏结构,导致纵向缠绕层纤维发挥强度不理想问题。构建了考虑复合材料多尺度结构特征的宏-细-微观跨尺度模型,开展了基于纤维细观尺度的渐进损伤实效行为研究,实现了结构失效状态及强度折减系数在不同尺度间的传递,最终预示了纤维缠绕壳体损伤失效。制备了直径300 mm的纤维缠绕壳体并开展水压打爆测试,测试结果表明,该跨尺度方法预测爆压值与实验测试值误差为1.4%,且所得整体应力分布较传统层合建模方法和实验值更为吻合。该分析方法可以为纤维缠绕复合材料壳体精细化设计分析提供参考价值,提升了纤维缠绕复合材料壳体工艺-设计一体化技术应用水平。     

考虑飞行品质约束的空天飞行器控制舵面设计及优化

针对放宽静稳定度条件下水平起降空天飞行器控制舵面尺寸设计难度大的问题,提出了一种基于代理模型的控制舵面—控制参数一体化设计方法。首先,基于鸽群算法构建了包含结构参数的空天飞行器气动特性代理模型,获得了气动特性参数随飞行条件、控制舵面尺寸及质心位置的变化关系,为控制舵面一体化设计提供输入。然后,设计了基于C^*结构的空天飞行器纵向参考模型跟踪控制律,并将考虑飞行品质约束的空天飞行器控制舵面一体化设计问题转化成多约束条件下的多目标优化问题。并采用非光滑优化算法计算得到了同时满足飞行品质、舵面饱和、舵面偏转速率等约束的最小控制舵面及对应的控制参数。仿真结果表明,该方法能够在满足性能指标约束的前提下有效减小控制舵面的尺寸,具有较强的工程应用价值。     

星座系统的信息网络设计

多星组网、编队飞行是小卫星应用领域的发展趋势。与之相适应,卫星信息系统正从单星向多星网络化发展,形成一个具有优化拓扑结构、完善通信协议和管理调度机制的统一天基信息网络系统,以实现对协同工作的多星系统的飞行任务管理。文章针对星座系统信息网络的技术特点、拓扑结构设计、网络模型设计、协议设计和一体化设计方法进行了论述,并从工程角度出发,分析了设计过程中应着重解决的关键技术问题。     

固体火箭发动机喷管扩张段壳体结构优化设计

针对某型号发动机喷管扩张段壳体结构,建立了高精度三维扩张段热结构FEM模型,计算了喷管工作时扩张段壳体结构在承受高温、高压以及作动器外载的联合作用下,结构的应变及位移分布规律,并与全尺寸发动机喷管热联试的试验结果作对比。结果表明:热结构仿真计算与试验结果吻合较好,其中关键承载部位应变最大误差小于15%,验证了热结构仿真模型准确性及精度,可以用于工程上扩张段壳体热结构强度校核。在此基础上,以环/母向筋条数量为设计变量,采用First-order优化方法对喷管扩张段壳体结构进行减重优化设计,在满足强度和刚度要求的前提下实现了目标结构约30. 8%的有效减重。以上计算结果对于固体火箭发动机喷管扩张段壳体结构设计优化,准确预估结构安全裕度有着一定的参考价值。     

重型运载火箭发动机机架与舱段传力结构一体化拓扑优化设计

运载火箭发动机机架与舱段传力结构主要负责将发动机的推力载荷有效传递至箭体壳段,是火箭结构系统中的关键部位。为充分考虑重型运载火箭发动机机架与舱段传力结构之间的耦合影响,寻找合理的传力路径并实现结构高效承载,对其开展了联合最优传力路径分析及结构优化设计。考虑变形、质量、设计空间、制造约束等设计要求,以整体刚度最大化为目标,建立了火箭发动机机架与舱段传力结构的优化模型,开展了一体化优化设计工作;讨论了发动机机架与舱段传力结构间的连接区域参数对整体结构设计的影响,给出了相关设计建议。     

一种卫星用钛内衬-碳纤维缠绕复合材料气瓶特性研究

为了研究复合材料高压气瓶固有特性,针对钛内衬（TA1）/碳纤维（T1000GB）缠绕柱形复合材料气瓶进行了特性分析和应力-应变检测。总结了内衬特性和复合层特性对气瓶产生的各种影响,根据柱形气瓶环向应变和纵向应变实测数据分析了瓶体应变的变化规律和主要影响参数,找出了瓶体强度薄弱区,为结构优化和同类产品设计提供了可靠数据和理论指导。     

一种卫星分步结构优化方法

在卫星结构设计中,为了在满足各种工况条件下有效实现减重,基于优化驱动设计的思想,文章提出了一种分步结构优化方法:第一步采用固体各项同性惩罚微结构法(SIMP)进行多工况下最小柔顺度的拓扑优化,通过将多工况下的优化目标加权,转化为单目标优化问题,优化求解得到最优构型;第二步,提取第一步优化方案的拓扑构型关键特征,以质量最小、整星结构基频最高为目标,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)对形状和尺寸参数进行多目标优化;第三步,根据得到的形状尺寸参数,考虑实际加工和设计要求,经过人工修改迭代,得到最终设计。此方法应用于天拓-3卫星的支撑腿结构设计中,实现了考虑多工况的拓扑优化和多目标的形状尺寸优化。按照工程设计制造要求进行处理,获得的优化方案在满足各项约束条件下使支撑腿结构有效减重44.57%,整星结构基频提高3.97%,说明该方法具有较强的工程应用价值。     

运载火箭尾段防热/承载一体化热防护系统设计及性能分析

先进热防护技术是可重复使用运载火箭研制的关键技术之一,具有高结构效率的防热/承载一体化热防护系统是运载火箭极具潜力的备选热防护方案。本文系统地总结了可重复使用运载火箭尾舱段防热和承载两方面的设计要求,设计了一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护系统。开展了运载火箭尾段一体化热防护系统设计,进行了代表性单胞结构的高温环境地面试验,揭示了复合材料一体化热防护系统的防隔热机理。同时施加力学和热流载荷,利用有限元方法对运载火箭尾段进行了热力耦合分析,获得了尾段结构的温度场、应变场和应力场。结果表明:在典型载荷工况下一体化热防护系统内壁温度保持在89.2℃以下,内部最大应力不超过9.53 MPa,安全系数达到1.89。