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推进剂贮箱金属膜片的变形模拟与参数分析

2013/6/12    来源:MSC    作者:张付超  王亲猛  贺安江  李瑞婷  蔡毅卿  陈思  吴安达      
关键字:金属膜片变形模拟  MSC.MARC  大变形分析  
本文以航天推进剂贮箱半球形金属膜片为研究对象,采用非线性有限元软件MSC.MARC对金属膜片从上半球翻转到下半球的弹塑性大变形过程进行了数值模拟。在此基础上,基于正交试验方法对金属膜片的变形进行了参数分析。通过对正交试验结果进行极差分析和方差分析,得到各参数对贮箱性能指标(推进剂排空率和膜片顶点横向位移)的影响程度,为金属膜片的设计提供参考。

1 前言

    航天推进剂贮箱是航天运载器贮存和输送推进剂的重要部件。由于金属膜片贮箱具有密封性好、寿命长、相容性好、质心稳定、适应性广、排出效率高等优点,被广泛应用在空间飞行器上。与国外相比,国内金属膜片贮箱在设计和制造技术上仍然有较大的差距,普遍存在安全余量较大、设计过于保守的现象。因此对推进剂贮箱进行结构参数分析是有必要的。

    可以通过试验方法进行参数分析,但是由于金属膜片贮箱制造和试验费用较高,完全依靠模型试验来指导贮箱设计是不经济的。采用数值模拟方法可以有效地降低分析成本,然而,由于贮箱存在大变形,单次计算时间过长,即使是采用非线性有限元分析也同样需要减少数值模拟的次数。基于正交试验方法可以有效地减少模拟试验的次数,通过对计算得到的数据进行极差分析和方差分析,能够得到各参数对指标数据的影响程度。

2 膜片变形过程的数值模拟

    2.1 结构基本特征

    金属膜片贮箱由外部贮箱壳体和内置金属膜片构成,如图1(a)所示。贮箱工作时,增压气体从上部入口处注入,推进剂在金属膜片两侧的压差下从下部出口处被挤入工作管路。在此过程中,金属膜片逐渐从上半球位置翻转至下半球位置。

航天器贮箱结构示意图

    图1(a) 航天器贮箱结构示意图

金属膜片结构示意图

    图1(b) 金属膜片结构示意图

    内置半球形金属膜片主要由圆弧段、切线连接段和预弯边三部分构成,如图1(b)所示。圆弧段与预弯边之间以切线段连接,切线与水平呈一定锥角θ。内置金属膜片材料为纯铝。

    2.2 结构相关评价指标

    实际工程中,评价贮箱性能的有效指标包括推进剂排空率和膜片顶点横向位移。推进剂排空率是推进剂排出量与贮箱容积的比值,排空率越高,则燃料利用率越高。膜片顶点横向位移用来表征膜片翻转过程中的偏心程度。膜片的偏心程度过大,会影响推进剂输出的稳定性,同时有可能造成推进剂出口提前被膜片堵住,而影响推进剂排空率。

责任编辑:程玥
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