热沉设计技术

在大型空间环境模拟器KM6中，热沉是该设备中的重要分系统之一。文章介绍了热沉的材料选择、结构布置、壁板形式、支撑结构及主要设计计算结果等。     

大型空间环模器热沉热设计研究

分析了大型空间环模器热沉壁面温度分布的主要影响因素,利用热沉管网动态仿真软件(HSDS)研究了不同热沉片结构对支管流量分配的影响,针对我国某大型空间环模器热沉在热设计方面存在的主要问题提出了简单可行的改进方案.最后,给出了借助所开发的HSDS仿真软件进行热沉热设计的一般步骤.      

空间材料实验炉的模拟热分析与地面试验分析

空间材料实验炉的温度分布对空间材料制备至关重要.通过对用于天宫二号空间实验室材料实验炉的物理模型进行合理简化,建立了三维传热数值计算模型,测量了实验炉材料的热物性参数,并根据地面试验工况进行模拟热分析计算,其结果能够很好地与地面试验结果吻合.采用模拟计算的方法分析样品物性参数对炉膛和样品中温度分布的影响,对实验炉的隔热部件进行优化设计,进而对炉体外表面温度进行了预测.数值仿真计算弥补了实验中测温点不足的问题,有助于进一步了解样品的温度分布,同时为实验炉隔热优化设计和安全运行提供了依据.      

柔性太阳电池阵的热-结构耦合分析

采用有限元与差分组合迭代的方法,完成了柔性大面积太阳阵热-结构耦合动响应的分析工作.其中热流及温度场计算从热平衡方程出发对时间域做有限差分展开,结构动响应计算从平衡方程出发,采用Wilson-θ法,并且在时间差分上采取了相同的形式.在每一个时间步长内将结构的热流、温度、结构刚度、温度应力及位移等的计算有机地组合在一起,形成一套完整的带有连续干扰载荷的动响应计算程序系统.最后对哈勃望远镜柔性太阳阵的热-结构耦合动响应进行了计算,并且与解析结果进行了对比[1],说明了给出的理论和研制的计算程序的正确性.     

构件可靠度与平均安全系数的研究

构件可靠度的研究是结构可靠性分析的基础,其正确的计算方法对结构的安全可靠性评定具有重要意义.以应力-强度干涉模型为基础,探讨了当构件的应力和强度按不同分布时,构件可靠度和平均安全系数的计算方法以及二者之间的关系.计算表明:当构件的应力和强度按正态分布或其它分布处理时,对构件平均安全系数的影响很小,而对构件可靠度有较大的影响.对一般构件来讲,应力和强度采用正态分布是合理的,且偏于安全;对可靠度要求很高的构件来讲,建议采用对数正态分布或威布尔分布.     

航空发动机机匣损伤容限评估及剩余寿命预测

使用有限元的方法,建立了某航空发动机机匣安装座处局部模型,计算得到了不同尺寸裂纹的应力强度因子的形状因子Y.基于BS7910评定方法,利用失效评估图(FAD,Failure Assessment Diagram)确定了机匣安装座结构在工作应力下的可接受裂纹尺寸为84.8 mm,结构的剩余强度随裂纹尺寸的增加而显著降低,焊缝较母材具有更低的损伤容限和剩余强度.使用缩小宽度模拟验证件模拟工作状态载荷进行了验证试验,当裂纹尺寸与试样宽度比值较小时,与模拟验证件的评估结果基本吻合.根据Paris公式,构件在工作应力下的剩余寿命为74 238周次.      

颈部和侧门热沉设计

KM6颈部和侧门热沉设计是整体热沉设计中两个很典型的部分 ,颈部热沉属于卧式热沉 ,侧门热沉属于片状立式热沉。这两种形式的热沉分别是中国同类热沉结构中最大的热沉。特别是侧门热沉 ,直接接受太阳辐照 ,热负荷最大。通过热负荷的计算 ,确定出颈部和侧门的结构形式 ;然后 ,在选定铝材的基础上 ,计算和确定了支管的间距 ,分别确定了热沉骨架 ,热变形补偿 ,进出口以及隔热等结构形式 ;最后 ,通过调试 ,证明设计及制造是正确的 ,并满足了使用要求     

火焰筒结构局部热屈曲分析方法

根据局部热屈曲的失效机理,考虑局部温度和压应力水平两个热屈曲主要因素,从以应力函数和挠度函数为变量的受热板控制方程出发,推导出薄壁结构热屈曲失稳边界的判据表达式.依据确定的热载荷和设计的压力载荷,确定火焰筒结构的局部热屈曲危险部位,并将子模型技术引入到热屈曲分析中,确定危险部位的临界温度和临界压应力,以此对火焰筒结构进行局部热屈曲判别.通过工程实例的初步验证,计算与试验结果吻合良好,对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.     

基于RVE模型的空间天线结构热稳定性优化设计与热变形分析

空间环境温度变化会使空间天线支撑结构产生热变形,影响其使用性能,因此进行天线热稳定性设计及热变形分析具有重要的意义.基于代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)方法对空间天线结构进行热稳定性设计与热变形分析.通过建立纤维随机分布并含有材料孔隙的RVE,得到纤维热膨胀系数.对M40/TDE85单向复合材料的热膨胀性能进行实验测试,计算结果与测试结果吻合良好,验证了RVE模型的正确性与准确性.建立了复合材料圆管参数化模型,根据计算得到的热膨胀系数及优化算法,对天线支撑结构进行热稳定性优化设计,并对优化后的天线结构进行热致变形分析,结果表明优化后的结构具有很高的热稳定性.      

喷射式气氮调温系统

气氮调温系统是空间环境模拟器中为航天器进行热真空、热平衡试验的关键系统之一。它可使热沉温度在－100℃－＋100℃之间连续可调，并能任意定点。采用喷射式气氮调温系统，与液氮储槽式冷却器调温系统、液氮温度热沉加红外加热笼系统相比，可降低能耗，节约经费。大型空间环境模拟器中由于热沉的热惯性较大以及各支路温度存在均匀性等问题，大型空间模拟器设备要应用喷射式气氮调温系统存在一定难度。KM6大型空间模拟器喷射式气氮调温系统在研制中结合KM6实际和试验要求。调试和使用结果证明这一系统满足试验要求，同时也表明该系统在同一领域达到了国际同类设备的水平。     

TBM液压管道抗振结构设计方法

针对硬岩掘进机工作过程中产生的强烈振动影响管道的工作性能的问题,建立了基础振动下两端固定支撑输流管道横向振动的数学模型,运用Galerkin方法和等效弯矩法对管道最大应力进行了数值求解,并且用实验证实了数学模型的正确性。研究了基础振动参数对管道最大应力的影响规律,并根据最大应力判据条件得到了不同基础振动参数下管道工作的正常-失效区域,制定了以流量-压力-强振动参数为依据的管道抗振结构设计方法。结果表明:基础振动会引起液压管道应力剧增而导致其工作失效,新的设计方法能有效改善强振动环境下管道的工作性能。     

测定应力强度因子的守恒积分光弹性法

提出了测定断裂力学中应力强度因子的守恒积分 光测弹性力学方法,推导了守恒积分中位移梯度的应力分量表达式,从而可由应力光图所提供的信息计算守恒积分,并确定应力强度因子.本方法克服了单参数法与双参数法固有缺点.由此所得结果与由边界配置法所得结果非常一致.     

焊接构件低温疲劳P-S-N曲线的研究

焊接构件的低温 P-S-N曲线是冬季构件抗疲劳设计的基础.在PLG-300 kN高频疲劳试验机上,测定了在-25℃环境下4种应力水平对应的焊接构件的疲劳寿命,并得出了其中值S-N曲线.采用小样本实验的单侧容限分析方法,利用对数疲劳寿命变异系数的经验取值,得出了焊接构件的低温P-S-N曲线.这种方法既简便又经济,但需要由进一步的实验来完善.     

外力对常温氧化膜开裂和剥落行为的影响

对外力下常温氧化膜开裂和剥落行为的影响作出了研究.从理论上推导出计算氧化膜临界开裂外力的公式,并通过A3钢发蓝膜和LY12CZ铝合金化学转化膜在扫描电镜下的动态拉伸实验证明氧化膜临界开裂外力的存在,同时还比较了两种不同氧化膜开裂行为的异同.另外,进行了氧化膜在3%NaCl溶液中开裂和剥落行为的电化学研究,通过两种材料在介质中拉伸时的自腐蚀电位变化情况,根据电位转折点的存在进一步验证了临界开裂外力的存在,最后进行了有无裂纹氧化膜的阻抗谱测量,说明氧化膜开裂将会加速电化学腐蚀.     

Induction of hypoxic root metabolism results from physical limitations in O2 bioavailability in microgravity.

Numerous spaceflight experiments have noted changes in the roots that are consistent with hypoxia in the root zone. These observations include general ultrastructure analysis and biochemical measurements to direct measurements of stress specific enzymes. In experiments that have monitored alcohol dehydrogenase (ADH), the data shows this hypoxically responsive gene is induced and is associated with increased ADH activity in microgravity. These changes in ADH could be induced either by spaceflight hypoxia resulting from inhibition of gravity mediated O2 transport, or by a non-specific stress response due to inhibition of gravisensing. We tested these hypotheses in a series of two experiments. The objective of the first experiment was to determine if physical changes in gravity-mediated O2 transport can be directly measured, while the second series of experiments tested whether disruption of gravisensing can induce a non-specific ADH response. To directly measure O2 bioavailability as a function of gravity, we designed a sensor that mimics metabolic oxygen consumption in the rhizosphere. Because of these criteria, the sensor is sensitive to any changes in root O2 bioavailability that may occur in microgravity. In a KC-135 experiment, the sensor was implanted in a moist granular clay media and exposed to microgravity during parabolic flight. The resulting data indicated that root O2 bioavailability decreased in phase with gravity. In experiments that tested for non-specific induction of ADH, we compared the response of transgenic Arabidopsis plants (ADH promoted GUS marker gene) exposed to clinostat, control, and waterlogged conditions. The plants were grown on agar slats in a growth chamber before being exposed to the experimental treatments. The plants were stained for GUS activity localization, and subjected to biochemical tests for ADH, and GUS enzyme activity. These tests showed that the waterlogging treatment induced significant increases in GUS and ADH enzyme activities, while the control and clinostat treatments showed no response. This work demonstrates: (1) the inhibition of gravity-driven convective transport can reduce the O2 bioavailability to the root tip, and (2) the perturbation of gravisensing by clinostat rotation does not induce a nonspecific stress response involving ADH. Together these experiments support the microgravity convection inhibition model for explaining changes in root metabolism during spaceflight.     

冷脆断裂控制图的建立及其应用

从冷脆断裂的本质出发,分析了冷脆断裂各种诱发因素,通过大量的试验,分别初步建立了载荷控制的冷脆断裂图、名义应力控制的冷脆断裂图和断裂应力控制的冷脆断裂图。通过对38CrA钢显微组织参量、工作状态应力和工作环境条件对冷脆断裂的定量或半定量的研究,初步建立了3维的断裂应力控制的冷脆断裂的雏型,并讨论它在冷脆断裂和预防、冷脆安全评估及冷脆断裂控制设计等方面的应用。     

基于应变不变量失效理论的复合材料损伤模拟

应变不变量失效理论基于物理失效模式判断纤维和基体的损伤,适于研究纤维与基体的细观相互作用及固化残余应力的影响.介绍了应变不变量失效理论的物理背景,建立了正方形、六边形和钻石型细观代表体积单元模型,给出了宏观应变到细观应变的转换方法,提出了相应的失效模式和损伤演化准则.基于应变不变量失效理论求得了CCF300/5228材料体系的机械应变放大系数和热应变放大系数,对CCF300/5228复合材料开孔层合板的拉伸破坏过程进行了模拟,分析了纤维和基体的失效过程.计算与试验结果取得了较好的一致性,证明了该理论的适用性.     

光纤环绕制过程中的张力分析

结合实际绕制光纤环经验,从绕制方法--四极对称绕法和绕制过程中既是重点又是难点的张力控制角度阐述了对光纤环绕制的几点看法,这些看法是在实际工作经验中总结出来的,希望对提高光纤环绕制的质量有所帮助,并利用一种BOTDR( Brillouin Optical Time Domain Reflectometer )对保偏光纤环的应力分布进行了测试和分析.测试和分析结果表明,BOTDR可用作光纤和光纤环的应力分析和筛选.研究、试验以及实际应用表明,绕环过程中张力控制是绕环质量的关键,精确控制作用于光纤上的外力在适当范围内.     

Urodelean amphibians in studies on microgravity: effects upon organ and tissue regeneration.

Results obtained from nine experiments performed onboard Russian biosatellites have shown that microgravity promotes tissue regeneration in the newt, Pleurodeles waltl. The effect has been reproduced in all flights and on a clinostat as well for eye tissues (lens and retina), limbs and tail. The effect was demonstrated in 1.5- to 2-fold increase in cell proliferation in the early stages of regeneration in space flight. Animals "flown" intact and operated after flight regenerated faster than control ones and showed long-lasting micro-"g" effect. The most recent experiment flew aboard the Bion-11 biosatellite. This test was performed for study on microgravity effect on neural retina regeneration after optic nerve lesioning in the newt. Obtained results confirmed our previous information about intensification of regenerative processes in detached neural retina in urodela exposed to simulated weightlessness (Grigoryan et al., 1998). In particular, we found the increase and activation of cell populations participating in neural retina restoration and maintenance of retinal structure. Our findings suggest that promoting effect of microgravity upon regeneration could be influenced by several factors, largely influenced by a response of the whole organism to changed gravity vector. We hypothesized the synthesis of the specific range of stress proteins induced by micro-"g" and their regulative role in cell proliferation. Such a hypothesis for the existence of "altered gravity stress proteins" is discussed.     

高速撞击充气压力容器前壁损伤数值模拟

针对空间碎片超高速撞击充气压力容器前壁损伤问题,应用非线性动力学分析软件AUTODYN采用拉格朗日方法对球形弹丸撞击球形压力容器前壁穿孔进行了数值模拟研究。在建模过程中通过对容器壁内侧施加压力边界条件来模拟由于内充气体的作用在容器壁内产生的应力场,并通过与试验结果的比较验证了数值模拟方法的有效性。在此基础上针对容器的内充气体压力、球形弹丸直径及撞击速度对充气压力容器前壁穿孔的影响进行了研究。结果表明:在一定的气体压力下,气体压力对压力容器前壁穿孔直径与穿孔形态的影响可以忽略不计;而撞击速度及弹丸直径对穿孔直径及穿孔形态有着较大的影响,当撞击速度大于3km/s时,撞击穿孔边缘开始有裂纹产生,并且穿孔直径与裂纹直径随着弹丸直径及撞击速度的增加而增大。利用压力容器前壁穿孔的数值模拟结果进行计算可以得出当容器受到撞击速度大于3km/s的弹丸撞击后比撞击速度不大于3km/s时更易发生破坏。