某型贮箱晃动分析和防晃结构设计优化

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火箭贮箱推进剂晃动是指推进剂自由表面受到外部扰动或激励而产生的运动变化,推进剂晃动主要带来两个方面的影响,一是推进剂晃动导致箭体的频率重心变化,影响控制系统对火箭姿态和轨道的控制;二是推进剂大幅剧烈晃动引起的晃动载荷会对内部结构产生破坏,造成强度和疲劳问题。重型运载火箭由于推进剂体积质量大,晃动时产生的晃动载荷增大很多;而对于贮箱内部防晃结构,相对于小型贮箱,其径向宽度也增加了数倍,在冲击载荷下,满足防晃结构强度和稳定性的难度大,因此,有必要对重型火箭推进剂进行晃动分析,同时对防晃结构进行全新的设计和优化工作。
  首先,采用光滑粒子流体动力学法(SPH)对贮箱推进剂晃动进行了数值模拟,使用Ls-Dyna建立了晃动动力学模型,晃动过程中不考虑结构变形的影响,贮箱和防晃板均作刚性体处理,分析了晃动过程推挤剂的液面变化,通过提取防晃板上载荷时间历程曲线得到了最大冲击动载荷,然后作均布化处理简化成静力分析载荷。
  其次,在得到的晃动载荷基础上,设计了撑板、拉条和纵向板三种不同的防晃支撑方案,通过建立有限元模型,分析了不同方案的支撑特点,最后以强度、刚度为约束条件,按照重量最轻原则,对比得到了最佳的防晃支撑结构形式。
  然后,根据防晃板和支撑结构的受力特点,在初步设计的基础上,为减轻总的结构重量,以强度、刚度为约束条件,对三角撑板进行了尺寸优化和拓扑优化,同时采用铝蜂窝结构对防晃板本体结构作了改型设计优化分析,提高了结构的抗弯刚度。
  最后,考虑防晃板和支撑结构的连接细节,采用子模型法从整体结构中切分出局部结构进行连接细节分析,运用Fastener单元模拟螺栓连接,通过提取钉载得到了满足连接强度的螺栓个数。同时针对连接贮箱和撑板的螺栓受力不均匀现象,根据受力特点保留两端螺栓不变,逐步减少中间螺栓个数,分析得到了所需最少螺栓个数,进一步减少了结构重量。
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