李洪飛 楊光偉 項 陽

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不同溫度環(huán)境下助推器前連桿防熱罩結構承載能力研究

李洪飛 楊光偉 項 陽

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

以某運載器助推前連桿防熱罩為研究對象，建立了熱力耦合分析數(shù)學模型。利用ANSYS有限元軟件對不同溫度下助推器前連桿防熱罩進行了強度、剛度分析計算，得到防熱罩各部件的應力和屈曲形態(tài)等結果，當環(huán)境溫度從20℃上升到200℃后，防熱罩承受外壓屈曲載荷從676kPa降低至313kPa，外壓破壞載荷從780kPa降低至165kPa，并分析該結構在工作環(huán)境下的極限承載能力。

防熱罩；強度分析；剛度分析

1 引言

火箭助推器前連桿防熱罩結構是一種特殊的承力結構，主要材料為玻璃鋼，它在火箭實際飛行過程中會承受氣動載荷作用，隨著飛行高度、飛行速度的逐步增加，助推器前連桿防熱罩結構所承受的氣動熱載荷也隨之發(fā)生變化，由于材料和結構的特殊性，國內(nèi)涉及該防熱罩結構承載能力方面的研究較少，且它是火箭中一種重要的承載力結構，一旦出現(xiàn)破壞會影響火箭最終的飛行結果，造成難以挽回的經(jīng)濟損失。

近年來，隨著新研制型號的增多，采用樣件試驗的方法難以滿足助推器前連桿防熱罩的研發(fā)周期需求，需要通過有限元仿真開展不同溫度環(huán)境下助推器前連桿防熱罩結構承載能力的研究[1，2]。本文根據(jù)某型號運載火箭前連桿防熱罩的實際幾何結構尺寸，運用ANSYS軟件進行靜力學有限元分析，得到防熱罩結構的應力和屈曲形態(tài)等結果，確定防熱罩結構的極限承載能力和失效模式。

2 防熱罩有限元模型

2.1 防熱罩載荷

助推器前連桿防熱罩是助推火箭中的一種特殊結構，主要材料為玻璃鋼，在火箭飛行過程中起到防熱作用。該結構采用的是蒙皮鉚接結構，形狀為圓弧狀，直徑為2000mm，在飛行過程中蒙皮外表面與外界空氣產(chǎn)生摩擦力。摩擦力作用在蒙皮外表面上將產(chǎn)生表面溫度升高和承受外壓兩種實際效果，形成防熱罩的兩種間接載荷，一種是承受來自氣動產(chǎn)生的外壓力，另一種是溫度載荷（20～200℃），圖1為防熱罩載荷原理示意圖。

圖1 防熱罩載荷原理示意圖

2.2 幾何模型

圖2 防熱罩結構有限元計算模型

結合助推器前連桿防熱罩的具體結構尺寸和實際飛行過程中的承載形式，運用ANSYS/APDL對前捆綁連接件建立有限元模型[3～5]，見圖2，模型采用殼體單元和梁單元，其中蒙皮結構采用殼體單元，框結構采用梁單元，防熱罩與兩端防熱罩的接觸采用二維面面接觸單元建立，運用十六分之一的對稱模型簡化算法，采用掃略網(wǎng)格的劃分方法，網(wǎng)格數(shù)量約為31000個。

2.3 材料參數(shù)

前連桿防熱罩材料為玻璃鋼，根據(jù)該材料在20℃、100℃和200℃環(huán)境溫度下的彈性模量、泊松比、屈服應力等力學性能參數(shù)，對前連桿防熱罩進行分析計算，見表1。

表1 前連桿防熱罩材料參數(shù)

3 防熱罩剛度分析

火箭助推器前連桿防熱罩結構的工況溫度范圍為20～200℃，根據(jù)實際飛行過程中氣動載荷的作用方式，對防熱罩結構實際承載面施加外壓載荷87kPa，運用ANSYS分析軟件計算，得到不同溫度環(huán)境下防熱罩結構前2階失穩(wěn)形式的屈曲載荷。

3.1 剛度計算結果

為直觀表述不同溫度條件下防熱罩結構承受外壓載荷作用的屈曲形態(tài)和臨界屈曲載荷，圖3～圖5對應列出防熱罩結構的剛度有限元計算結果。

圖3 防熱罩承外壓前2階失穩(wěn)波形（20℃）

圖4 防熱罩承外壓前2階失穩(wěn)波形（100℃）

圖5 防熱罩承外壓前2階失穩(wěn)波形（200℃）

3.2 剛度結果分析

具體不同溫度作用下防熱罩材料承受外壓載荷時，臨界屈曲載荷如表2所示。

表2 外壓載荷下防熱罩前2階臨界屈曲載荷值

通過上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，溫度從20℃上升至100℃時，1階和2階外壓屈曲載荷降幅明顯，降幅達到50%左右；溫度從100℃上升至200℃時，外壓屈曲載荷略有降幅，降幅約為10%。此外，對比外壓屈曲載荷數(shù)據(jù)和彈性模量發(fā)現(xiàn)，外壓屈曲載荷隨溫度的變化趨勢與彈性模量隨溫度的變化趨勢具有一致性，如圖6所示。通過分析防熱罩在兩種載荷作用下的結構失穩(wěn)波形，得到在承受外壓載荷作用下，防熱罩結構為整體失穩(wěn)模式。

圖6 外壓載荷和彈性模量隨溫度變化曲線

4 防熱罩強度分析

在防熱罩結構的迎風面施加臨界外壓載荷作用，對防熱罩結構的應力與應力分布情況進行分析計算。

4.1 強度計算結果

圖7 外壓載荷下防熱罩應力分布（20℃）

圖8 外壓載荷下防熱罩應力分布（100℃）

為直觀表述不同溫度條件下防熱罩結構承受外壓載荷作用的應力大小與分布，將防熱罩結構的強度有限元計算結果分別對應列于圖7～圖9。

4.2 強度結果分析

根據(jù)不同溫度下防熱罩的強度分析計算結果，可以得到防熱罩在承受外壓載荷作用時的強度破壞載荷值，如表3所示。

表3 外壓作用下防熱罩強度破壞載荷值

通過上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，溫度從20℃上升至100℃時，外壓破壞載荷降幅明顯，降幅達到69%；溫度從100℃上升至200℃時，外壓破壞載荷降幅約為31%。此外，將外壓破壞載荷數(shù)據(jù)和彈性模量進行對比發(fā)現(xiàn)，外壓破壞載荷隨溫度的變化趨勢與材料強度隨溫度的變化趨勢具有一致性，如圖10所示，再結合前面的剛度分析，認為隨著溫度升高，防熱罩極限承載能力逐漸減小。同時，通過對比表2和表3里面同一溫度下的外壓屈曲載荷和外壓破壞載荷，可以得到20℃狀態(tài)下防熱罩結構承受外壓載荷作用的失效模式為屈曲破壞模式；在100℃和200℃溫度環(huán)境下，防熱罩結構承受外壓載荷作用的失效模式為強度破壞模式。

圖10 外壓載荷和材料強度隨溫度變化曲線

根據(jù)防熱罩在兩種載荷作用下的結構應力分布云圖可以得到，在承受外壓載荷作用下，防熱罩結構最大集中應力均出現(xiàn)于中間防熱罩構件的螺釘連接處，因此在結構設計時，螺釘設計強度應該高于防熱罩構件，經(jīng)過仿真計算該處的強度最大值為62.5MPa，遠小于螺釘設計強度141MPa，滿足設計要求。

5 結束語

通過對某型號運載火箭助推器前連桿防熱罩結構在不同環(huán)境溫度下的剛度、強度有限元計算結果對比分析，得到如下結論：a.隨著溫度升高，防熱罩極限承載能力減小，在防熱罩結構的設計和選用時需要考慮實際飛行過程中防熱罩承載的溫度環(huán)境條件。b.20℃狀態(tài)下防熱罩結構承受外壓載荷作用的失效模式為屈曲破壞模式；在100℃和200℃溫度環(huán)境下，防熱罩結構承受外壓載荷作用的失效模式為強度破壞模式。c.防熱罩結構在承受外壓載荷作用下，最大集中應力均出現(xiàn)于中間防熱罩構件的螺釘連接處，在結構設計時，螺釘強度要高于防熱罩構件。

1 馮蘇樂，張柳峰，羅益民，等. 純鋁半球構件拉深成形數(shù)值模擬及工藝研究[J]. 航天制造技術，2016(5)：35～37

2 孫浩，周改超，崔恩強，等. 鎂合金橫梁鑄件鑄造工藝設計及數(shù)值仿真分析[J].航天制造技術，2017(6)：26～30

3 莊嚴，呂明璐，張瑤，等. 固定管板式換熱器強度分析與評定[J].當代化工，2018(3)：566～568

4 王宏臣. 基于ANSYS的塔式起重機溫度物理場強度分析[J].機電信息，2018(3)：110～111

5 莊嚴，呂明璐，張瑤，等. 基于ANSYS WorkBench的蒸餾爐吊裝設備車體靜力學分析[J].當代化工，2018(3)：47～49

Study on Structural Load Carrying Capacity of Front Connecting Rod Heat Shield of Booster at Different Temperatures

Li Hongfei Yang Guangwei Xiang Yang

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

A mathematical model of thermomechanical coupling analsysis is established based on a propelled thermal shield of a front connecting rod. The strength and stiffness of the front connecting rod heat shield of the booster were analyzed and calculated by using ANSYS finite element software. Finally, the stress and bucking morphology of the components of the heat shield are obtained. When the environmental temperature increased from 20℃ to 200℃, the external pressure load of the heat shield decreased from 676kPa to 313kPa, failure load decreased from 780kPa to 165kPa, and the ultimate bearing capacity of the structure under the working environment was predicted.

rod heat shield；stiffness analysis；strength analysis

李洪飛（1979），高級工程師，材料成型及控制工程專業(yè)；研究方向：焊接工藝、焊接結構有限元分析以及生產(chǎn)管理信息化。

2018-06-29