航天推进剂贮箱金属膜片的翻转仿真与优化设计

发布时间：2017-08-06 18:27

  本文关键词：航天推进剂贮箱金属膜片的翻转仿真与优化设计

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【摘要】：航天推进剂贮箱主要由贮箱壳体和金属膜片组成,是空间推进系统对推进剂实行贮存和控制的装置。工作时,在一定压力的增压气体作用下,金属膜片发生翻转运动,从而将推进剂排出贮箱。期间,膜片经历了从上半球翻转到下半球的弹塑性大变形过程。因此,贮箱膜片能否有效稳定的翻转是影响贮箱性能的关键因素。针对不同条件,金属膜片有多种类型,本文以半球形金属膜片和带加强筋的锥柱形膜片为研究对象采用大变形弹塑性有限元法,对其翻转行为进行模拟仿真,并基于正交试验表,对影响贮箱指标的采纳数进行灵敏度分析;之后在半球形膜片的外表面附加上一层防热层,通过正交试验表研究防热层参数对膜片翻转过程的影响。主要研究内容如下:(1)针对无筋金属膜片,在非线性有限元软件MSC.Marc中建立金属膜片的三维壳单元参数化模型,并对其翻转变形过程进行数值仿真。对贮箱膜片翻转过程建立多个性能指标,对膜片尺寸参数构建正交表,对各个性能指标做极差分析,得到各参数对性能指标的灵敏度大小,确定各参数的最优组合。(2)针对带加强筋的锥柱形金属膜片,对加强筋部分进行实体单元划分建立有限元分析参数化模型,并对其翻转过程进行数值分析。通过分析调整翻转过程的各影响指标,并基于正交表,对加强筋参数做极差分析,确定各参数的灵敏度大小,得到各参数的最优组合。(3)以最优组合为初始点,分别以临界载荷最小和压力波动最小作为目标函数,采用序列二次规划法对加强筋宽度和高度进行优化设计。(4)针对带防热层的半球形金属膜片,采用复合材料层合板设置建立三维壳单元参数化模型,并对其翻转过程进行数值仿真。对防热层参数进行正交表试验分析,确定防热层参数对贮箱膜片翻转性能的影响。通过以上研究,得出本文主要结论如下:(1)贮箱膜片翻转过程分为3个阶段:屈曲前的弹性阶段、屈曲后的稳定翻转阶段和翻转后期内压阶段。膜片各参数主要影响第二阶段翻转过程。(2)针对无筋金属膜片,在预弯边半径、公切线长度和公切线锥角三个几何参数中,公切线长度对膜片质量、最大应力和临界载荷影响最大,预弯边半径对膜片顶点径向位移和压力波动影响最大。(3)针对带加强筋锥柱形膜片,在加强筋高度、宽度和数量三个几何参数中,加强筋数量对加强筋质量和顶点径向位移影响最大,加强筋高度对膜片最大应力和压力波动影响最大,加强筋宽度对膜片临界载荷影响最大。(4)对正交表得到的最优组合进行优化分析,使膜片压力波动最小,优化之后压力波动减小了7.4%,对于优化迭代过程,可以通过正交试验设计的极差分析进行粗略预估,从而节省精力和时间。(5)针对带防热层的半球形膜片,通过试验分析发现膜片临界载荷与防热层厚度基本呈二阶关系,与防热层弹性模量基本呈一阶线性关系,符合理论分析结果。
【关键词】：航天推进剂贮箱 膜片 参数化 翻转 优化分析
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V432
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 推进剂贮箱膜片研究现状11-15
• 1.2.1 国内外贮箱研究现状11-12
• 1.2.2 贮箱金属膜片翻转研究现状12-15
• 1.2.3 参数分析概况15
• 1.3 本文的研究内容15-18
• 第2章 无筋金属膜片的翻转仿真与参数分析18-32
• 2.1 引言18
• 2.2 半球形金属膜片的翻转仿真18-26
• 2.2.1 膜片结构18-19
• 2.2.2 膜片参数设定19-21
• 2.2.3 翻转过程分析21-24
• 2.2.4 评价指标的选择24-25
• 2.2.5 参数化仿真流程25-26
• 2.3 半球形金属膜片的参数分析26-30
• 2.3.1 正交试验设计26-27
• 2.3.2 正交表极差分析27-29
• 2.3.3 正交表最优组合的选取29-30
• 2.4 本章小结30-32
• 第3章 带加强筋膜片的翻转仿真与参数分析32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 带加强筋膜片的翻转仿真32-37
• 3.2.1 膜片结构及参数设定32-33
• 3.2.2 加强筋对膜片翻转过程的影响33-36
• 3.2.3 加强筋对膜片翻转性能指标的影响36-37
• 3.2.4 参数化仿真流程37
• 3.3 带加强筋膜片的参数分析37-42
• 3.3.1 加强筋参数的正交试验设计37-38
• 3.3.2 重量指标的调整38-39
• 3.3.3 正交表极差分析39-42
• 3.3.4 正交表最优组合的选取42
• 3.4 本章小结42-44
• 第4章 膜片翻转优化分析44-52
• 4.1 引言44
• 4.2 序列二次规划法介绍44-46
• 4.3 优化设计46-51
• 4.3.1 优化参数的选择46-47
• 4.3.2 临界载荷最小的优化设计47
• 4.3.3 压力波动最小的优化设计47-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 带防热层膜片的翻转仿真与参数分析52-62
• 5.1 引言52
• 5.2 带防热层膜片翻转仿真52-54
• 5.3 理论分析54-55
• 5.4 全因子表设计及分析55-61
• 5.4.1 全因子表设计55-56
• 5.4.2 对防热层厚度分析56-58
• 5.4.3 对防热层弹性模量分析58-61
• 5.5 本章小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-68
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文68-70
• 致谢70

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本文编号：630988