一种波浪分布放射式的贮箱短壳制造技术

本发明专利技术属于航空航天贮箱技术领域，公开一种波浪分布放射式的贮箱短壳,该贮箱短壳由四块弧形短壳壁板焊接而成。波浪型基座中部采用拓扑优化方法得到中间凹陷、两侧凸起的结构，两侧为常规的弧形基座。放射斜肋的横截面积远大于壁板蒙皮的横截面积。集中力作用在放射斜肋的中部，扩散范围为集中力中心线±30°，各放射肋在集中力作用方向的分力相等。梯形过渡环肋位于放射斜肋和均匀网格的过渡区域。均匀网格位于放射肋区域两侧，用于进一步均匀化结构应力，并抵抗轴压载荷。本发明专利技术的有益效果为：波浪型基座优化集中力传递路径，结构效率提高；放射斜肋的扩散效率高，达到35.2％；传力路径优化能适应千吨级的集中载荷，降低集中力作用区域的应力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是液体运载火箭贮箱上的放射短壳结构，特别是针对承受千吨级捆绑集中力和轴压耦合作用、有特殊扩散效率要求而设计的结构，属于航空航天贮箱

技术介绍
薄壁贮箱作为运载火箭的主体结构，除承受内压外，还传递火箭的各种飞行载荷。对于捆绑式火箭，芯级箭体在捆绑点附近承受巨大的集中力载荷，量级达到千吨级，且载荷作用点和芯级壳壁存在一定偏心，使得芯级壳体承受较大的附加弯矩。同时，芯级薄壁贮箱自身还承受内压，轴压、弯矩、剪力等载荷，如不采取合理的扩散措施，筒段处将产生较高的轴向压缩应力，此应力状态可能会导致薄壁结构提前屈曲，贮箱破坏。因此，在捆绑连接区域和箱体上必须设计特定的结构件来扩散所需传递的集中载荷，均匀化结构应力，削弱集中载荷对薄壁焊接贮箱的恶劣影响。贮箱目前所使用的传统放射短壳壁板。这种短壳以扩散100吨以下的小集中载荷为目的，结构以均匀网格加筋为主，在靠近捆绑集中力的局部区域布置扩散接头和扇状放射斜肋来达到扩散效果。扩散接头一般采用锻件，与短壳壁板铆接在一起。但这种结构存在如下缺点：(1)扩散接头非常厚重，锻件内部缺陷较多；为保证对接的平面度，在与短壳壁板铆接时还需配置特殊的工装；(2)大部分的集中力还是由中间肋承受，造成中间肋应力水平较高，结构易进入塑性而提前失效；(3)放射斜肋的扩散效率(即截面内应力的均匀程度)差，仅10％左右；
技术实现思路
针对现有技术存在问题，本专利技术优化传力路径,针对千吨级捆绑集中力和轴压耦合作用、扩散效率要求较高的问题，提供一种波浪分布放射式的贮箱短壳。该贮箱短壳采用波浪型分布、扩散效率高的放射形式，即采用波浪型放射基座和变截面斜筋，保证在较短距离(500mm)内将集中力扩散30％以上，使得传递到薄壁焊接筒段的应力更加均匀。该贮箱短壳应力均匀化程度高，能够有效降低集中载荷作用线上的应力，提高每个斜肋的承载效率，且结构轻质化程度高；能够适应千吨级的集中载荷，降低集中力作用区域的应力，适应不同直径、不同载荷、不同扩散要求的贮箱，能够满足大集中载荷强度要求(满足千吨级集中载荷在500mm内扩散至少30％的要求),在贮箱主承力结构上有广泛应用。为了达到上述目的，本专利技术技术方案为：一种波浪分布放射式的贮箱短壳,该贮箱短壳为圆形，由四块完全相同的弧形短壳壁板焊接而成,所述的弧形短壳壁板包括波浪型基座1、放射斜肋2、梯形过渡环肋3、均匀网格4和蒙皮5。所述的放射斜肋2形成放射肋区域；所述的均匀网格4形成均匀网格区域。所述的短壳壁板材料，即贮箱短壳选用可焊性好的高强铝合金板材，为提高强度，板材做预拉伸处理。短壳壁板整体机械铣切后滚弯；机铣小圆角减少结构废重。所述的波浪型基座1中部按照捆绑载荷传力方向，以结构应力最小，重量最轻为目标，采用拓扑优化方法得到中间凹陷、两侧凸起的波形结构，有利于将捆绑作用线上的集中载荷逐渐引向刚度较大的波峰区域，直肋刚度小，所分担的应力也变小，载荷主要由两侧斜肋承担，波浪型基座的波形根据实际情况确定。所述的波浪型基座1两侧为常规的弧形基座。所述的放射斜肋2包括多个放射肋，放射肋的个数由实际情况确定，各放射斜肋的汇交点位于贮箱短壳外，提高放射结构的结构效率；每根放射斜肋的角度、截面大小、宽度、数量和分布根据扩散需求和贮箱短壳的临界承载能力确定，能够适应不同直径、不同载荷、不同扩散要求的贮箱短壳。放射斜肋2的横截面积远大于壁板蒙皮的横截面积，用于将贮箱短壳简化为集中一点的杆系结构，当计算贮箱短壳承载能力时，忽略蒙皮的承载能力。集中力作用在放射肋区域的中部，扩散范围为集中力中心线±30°，各放射肋在集中力作用方向的分力相等。问题简化为集中一点杆系的超静定问题，联合受力平衡方程和变形协调平衡方程求解出每根肋的剖面积和放射角度。通过调整每根放射斜肋2的宽度，迭代计算短壳结构的临界承载能力，优化斜肋的放射角度，降低短壳结构中的应力峰值，使得应力分布均匀化。增加肋条宽度会降低结构的应力水平，但同时结构重量增大；减小肋条宽度会增大结构的应力水平，结构容易发生失稳；为得到扩散效率高、可靠性高的结构，需要多轮迭代计算确定最终参数。所述的梯形过渡环肋3位于放射斜肋2和均匀网格4的过渡区域，用于缓解放射结构和均匀结构的过渡区域结构突变带来的应力集中，降低结构应力水平。考虑贮箱短壳承受箭体飞行中的均匀轴压，所述的均匀网格4位于放射肋区域两侧，用于进一步均匀化结构应力，并抵抗轴压载荷。均匀网格4形成均匀网格4区。所述的蒙皮5固定在波浪型基座1、放射斜肋2、梯形过渡环肋3和均匀网格4的内侧，用于保护内部结构。本专利技术扩散效率的分析和验证：一般选取截面内力的均匀程度来评价集中力的扩散效果，改变结构形式和刚度参数，集中力的传递路径也随之改变。本专利技术通过拓扑优化方法设计出波浪型基座和变截面放射斜肋，将集中载荷引向扇状放射方向，降低中心作用线上的应力水平，均匀化结构应力。为验证该扩散结构设计的合理性，设计贮箱和捆绑结构联合静力试验，将多部段联合装配体采用正置安装，利用加力帽与立柱平衡系统将试验件悬挂，集中载荷采用推顶式加载，贮箱加注推进剂，在扩散结构中布置应力和位移测点，获取各部分的扩散效率和应力分布情况。贮箱波浪分布放射式短壳的扩散原理是：采用拓扑优化设计的中间凹陷、两侧凸起的波浪型基座1，有利于将捆绑作用线上的集中载荷引向刚度较大的波峰区域，集中力的传递路径也随之改变，直肋刚度小，所分担的应力也变小，载荷主要由两侧的多根斜肋承担。放射斜肋2汇交点置于板外，可提高放射结构的结构效率，按照集中载荷距离中心的不均匀程度，将放射肋设计成变截面的结构，可保证各放射肋在集中力作用方向的分力相等，最大程度的均匀化结构应力。与现有的放射短壳相比，本专利技术的有益效果为：(1)波浪型基座优化了集中力传递路径，放射肋截面渐变，结构效率提高；(2)大部分集中力分担到各放射斜肋上，每个肋条的应力水平相当，均低于结构的屈服极限；(3)放射斜肋的扩散效率高，达到35.2％；传力路径优化，这种结构轻质化、应力均匀化程度高，能适应千吨级的集中载荷，降低集中力作用区域的应力。能适应不同直径、不同轴压的贮箱。附图说明图1为贮箱短壳的整体结构图。图2为短壳壁板正视图。图3均匀网格正视图。图4为均匀网格A-A剖面图。图5短壳壁板左视图。图6为贮箱短壳放射肋测点图。图7为波浪型基座的实测应力分布图。图8为第一排放射肋的实测应力分布图。图9为第二排放射肋的实测应力分布图。图中：1波浪型基座；2放射斜肋；3梯形过渡环肋；4均匀网格；5蒙皮。具体实施方式本专利技术公开一种扩散效率高、传力路径优化、结构轻质可靠的贮箱放射短壳的通用结构，以期能在贮箱主传力结构中占有一席之地。一种波浪分布放射式的贮箱短壳由四块完全相同的弧形短壳壁板焊接而成，壁板材料选用可焊性好的高强铝合金板材，为提高强度，板材做预拉伸处理。在平板上机械铣切波浪型基座1，放射斜肋2和均匀网格4，随后对完成铣切的壁板滚弯到要求的弧度。机铣小圆角可减少结构废重，最后将4块壁板拼焊成贮箱短壳。以集中力作用中心线±30°为拓扑优化范围，设计目标是结构各部分应力差值最小，重量最轻，得到中间凹陷、两侧凸起的波浪型基座。而后将放射斜肋简化为集中一点杆系的超静定问题，要求各放射肋在集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波浪分布放射式的贮箱短壳，其特征在于，该贮箱短壳为圆形，由四块完全相同的弧形短壳壁板焊接而成；所述的弧形短壳壁板包括波浪型基座(1)、放射斜肋(2)、梯形过渡环肋(3)、均匀网格(4)和蒙皮(5)；所述的放射斜肋(2)形成放射肋区域；所述的均匀网格4形成均匀网格区；所述的波浪型基座(1)中部为中间凹陷、两侧凸起的波形结构；所述的波浪型基座(1)两侧为常规的弧形基座；所述的放射斜肋(2)的个数由实际情况确定，各放射斜肋(2)的汇交点位于贮箱短壳外；所述的放射斜肋(2)的横截面积大于蒙皮(5)的横截面积，用于将贮箱短壳简化为集中一点的杆系结构；集中力作用在放射肋区域的中部，扩散范围为集中力中心线±30°，各放射斜肋(2)在集中力作用方向的分力相等；所述的梯形过渡环肋(3)位于放射斜肋(2)和均匀网格(4)的过渡区域，用于缓解放射结构和均匀结构的过渡区域结构突变带来的应力集中，降低结构应力水平；所述的均匀网格(4)位于放射肋区域两侧，用于进一步均匀化结构应力，抵抗轴压载荷；所述的蒙皮(5)固定在波浪型基座(1)、放射斜肋(2)、梯形过渡环肋(3)和均匀网格(4)的内侧，用于保护内部结构。

【技术特征摘要】
1.一种波浪分布放射式的贮箱短壳，其特征在于，该贮箱短壳为圆形，由四块完全相同的弧形短壳壁板焊接而成；所述的弧形短壳壁板包括波浪型基座(1)、放射斜肋(2)、梯形过渡环肋(3)、均匀网格(4)和蒙皮(5)；所述的放射斜肋(2)形成放射肋区域；所述的均匀网格4形成均匀网格区；所述的波浪型基座(1)中部为中间凹陷、两侧凸起的波形结构；所述的波浪型基座(1)两侧为常规的弧形基座；所述的放射斜肋(2)的个数由实际情况确定，各放射斜肋(2)的汇交点位于贮箱短壳外；所述的放射斜肋(2)的横截面积大于蒙皮(5)的横截面积，用于将贮箱短壳简化为集中一点的杆系结构；集中力作用在放射肋区域的中部，扩散范围为集中力中心线±30°，各放射斜肋(2)在集中力作用方向的分力相等；所述的梯形...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄诚，王博，吴会强，张晓颖，郭彦明，常志龙，王晓博，李林生，胡正根，曹广龙，任明法，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21