一种液体火箭椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法技术

本发明专利技术提出一种液体火箭椭球底圆柱贮箱几何参数的设计方法，应用该方法对椭球底圆柱贮箱半径与椭球模数进行设计，可有效减轻贮箱质量，为液体火箭椭球底圆柱贮箱的工程设计提供参考。首先，在建立椭球底圆柱贮箱数学模型的基础上，对贮箱椭球下底、圆柱筒及椭球上底的经向应力与环向应力进行分析，确定椭球底圆柱贮箱应力分布。其次，在保证贮箱应力强度可靠性的前提下，将贮箱应力转换为等效应力的形式，并以此确定出贮箱设计所需的壁厚参数。再次，根据贮箱的实际设计需求，确定贮箱质量与贮箱半径、椭球模数间的约束关系，以贮箱质量最小化为目标，对贮箱半径与椭球模数进行设计。最后，以某型火箭贮箱的设计参数为例，验证本发明专利技术提出的椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种液体火箭椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法
本专利技术属于液体火箭结构设计领域，是一种液体火箭椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法。
技术介绍
贮箱不仅用来贮存约占液体火箭起飞质量90％的推进剂，而且是液体火箭重要的承力构件。贮箱的优化设计可以有效提高液体火箭的有效载荷运载能力，是发展重型运载火箭的关键技术之一。目前，贮箱的优化设计主要体现在贮箱材料、制造技术及贮箱结构三方面的研究。贮箱材料与制造工艺的发展，可为贮箱设计带来巨大变革。2195铝合金的应用，使美国航天飞机轻质外贮箱质量减轻了3405kg。使用1460铝锂合金制作的DC-XA火箭液氧贮箱，质量减轻了10％。2014年，NASA进行了轻质复合材料贮箱试验，可使贮箱减重30％，降低成本25％。猎鹰9火箭贮箱应用新型2198铝锂合金，贮箱壁板采用搅拌摩擦焊技术，成本仅为传统加工结构的1/5。然而贮箱材料与制造技术的发展，需要高额的人力、物力成本。因此，毛佳[毛佳,江振宇,陈广南,等.轴压薄壁加筋圆柱壳结构优化设计研究[J].工程力学,2011,28(8):183-192.]、卜凡[卜凡.大型储罐的强度与刚度分析及设计方法研究[D].北京化工大学,2015:15-40.]、ANSARY[ANSARYAM,DAMATTYAA,NASSEFAO.Acoupledfiniteelementgeneticalgorithmforoptimumdesignofstiffenedliquid-filledsteelconicaltanks[J].Thin-WalledStructures,2011,49:482-493.]等人利用有限元分析对贮箱结构进行了优化设计；郝鹏[郝鹏.面向新一代运载火箭的网格加筋柱壳结构优化研究[D].大连理工大学,2013:19-48.]结合等效刚度和精细模型，提出了混合设计方法。均为液体火箭贮箱设计提供了参考。国内外学者对贮箱的优化设计进行了广泛的研究，但目前贮箱几何参数的确定仍主要是根据工程手册及工程师的经验，并辅以有限元分析和地面测试而进行的。本专利技术在分析椭球底圆柱贮箱应力分布的基础上，以贮箱质量最小化为目标，提出了一种椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法。本专利技术的优势在于，可以在保证贮箱应力强度可靠性的前提下，根据椭球底圆柱贮箱的应力分布，以贮箱质量最小化为目标，对贮箱的半径与椭球模数进行设计。与某型火箭贮箱原设计相比，依据本专利技术提出的方法，当贮箱半径增加0.02m时，贮箱质量即可减轻15.2kg；椭球模数减小0.02时，贮箱质量即可减轻5.7kg。
技术实现思路
本专利技术为一种液体火箭椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法，在保证贮箱应力强度可靠性的前提下，根据贮箱应力分布与设计参数，以贮箱质量最小化为目标，对贮箱半径与椭球模数进行设计。本专利技术主要包括：步骤一、确定椭球底圆柱贮箱应力分布。在建立椭球底圆柱贮箱模型的基础上，对贮箱椭球下底、圆柱筒及椭球上底经向应力与环向应力进行分析，确定椭球底圆柱贮箱应力分布。步骤二、确定贮箱设计所需壁厚。在保证贮箱应力强度可靠性的前提下，应用材料强度理论将贮箱应力转换为等效应力的形式，确定贮箱设计所需壁厚参数。步骤三、对贮箱半径与椭球模数进行设计。根据贮箱实际设计需求，确定贮箱质量与贮箱半径、椭球模数间的约束关系，以贮箱质量最小化作为目标，对贮箱半径与椭球模数进行设计。步骤四、椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法验证。以某型火箭贮箱设计参数为例，对椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法进行验证分析。其特征在于：(1)建立椭球底圆柱贮箱数学模型，确定贮箱椭球上底、圆柱筒及椭球下底应力分布，反映贮箱的实际受力情况。(2)根据贮箱应力分布，在保证贮箱应力强度可靠性前提下，将贮箱应力转换为等效应力的形式，确定贮箱设计所需壁厚参数。(3)根据贮箱实际设计需求，确定贮箱质量与贮箱半径、椭球模数间的约束关系，以贮箱质量最小化为目标，对贮箱半径与椭球模数进行设计。(4)结合某型火箭贮箱设计参数实例表明，本专利技术提出的几何参数设计方法可有效减轻贮箱质量。本专利技术的优势是：本专利技术提出的椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法，可在保证贮箱应力强度可靠性的前提下，根据贮箱应力分布与设计参数，确定贮箱质量与贮箱半径、椭球模数间的约束关系，对贮箱半径与椭球模数进行设计，有效减轻贮箱质量，为液体火箭椭球底圆柱贮箱设计提供参考。附图说明图1液体火箭椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法框架图2本专利技术的椭球底圆柱贮箱模型示意图；图3本专利技术的贮箱几何参数示例；图4本专利技术的贮箱椭球下底应力分布示意图；图5本专利技术的贮箱圆柱筒应力分布示意图；图6本专利技术的贮箱椭球上底应力分布示意图；图7本专利技术的贮箱椭球下底质量随贮箱半径与椭球模数变化示意图；图8本专利技术的贮箱圆柱筒质量随贮箱半径与椭球模数变化示意图；图9本专利技术的贮箱椭球上底质量随贮箱半径与椭球模数变化示意图；图10本专利技术的贮箱总体质量随贮箱半径与椭球模数变化示意图；图11本专利技术的某型火箭贮箱设计参数；图12本专利技术的某型贮箱总体质量随贮箱半径与椭球模数变化示意图；图13本专利技术的某型火箭贮箱质量对比。具体实施方式结合附图对本专利技术的液体火箭椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法做进一步详细描述，其中，图1为本专利技术的设计方法框架。步骤一、确定椭球底圆柱贮箱应力分布。在建立椭球底圆柱贮箱模型的基础上，对贮箱椭球下底、圆柱筒及椭球上底经向应力与环向应力进行分析，确定贮箱应力分布。(1)椭球底圆柱贮箱数学模型根据椭球底圆柱贮箱受力情况，建立贮箱数学模型，如图2所示。图中：xOy为贮箱基准坐标系，δb为贮箱椭球下底壁厚，r为参考点到y轴距离，b为贮箱椭球底高度，R1、R2为贮箱椭球下底第一曲率半径及第二曲率半径，为贮箱椭球下底第二曲率半径与y轴夹角，R为贮箱半径，δt为贮箱圆柱筒壁厚，hz为贮箱圆柱筒高度，h＝hz+b为推进剂液面高度，δr为贮箱椭球上底壁厚，R3、R4为贮箱椭球上底第一曲率半径及第二曲率半径，为贮箱椭球上底第二曲率半径与y轴夹角。其中(2)贮箱椭球下底应力分布据图2可知，贮箱椭球下底(0＜y≤b)母线的椭圆方程为x2/R2+y2/b2＝1,0＜y≤b(4)椭球模数m定义为椭圆长半轴R(即贮箱半径)与短半轴b之比，则可知m＝R/b＞1，结合式(1)-(4)，可得贮箱椭球下底任意参考面上的平衡方程可表示为式中：P为贮箱内部增压，σb1为贮箱椭球下底经向应力，n为轴向过载系数，g＝9.8m/s2为重力加速度，ρ为推进剂密度，hb＝h+y为推进剂液面到贮箱椭球下底参考面高度，π取为3.14，Vb为椭球下底参考面以下容积Vb＝2πR2b(1-1.5y/b+0.5y3/b3)/3(7)据式(6)、式(7)可得贮箱椭球下底经向应力σb1为由式(8)可知σb1＞0，即贮箱椭球下底经向应力表现为拉应力。将式(8)对y求导，可知σ′b1＞0，则σb1在贮箱椭球下底顶点处取得最大值maxσb1＝mR(P+gnρh+gnρb)/2δb(9)根据无矩理论，贮箱椭球下底任意单元的平衡方程为σb1/R1+σb2/R2＝(P+gnρhb)/δb(10)式中：σb2为贮箱椭球下底环向应力。结合式(8)、式(10)，可得贮箱椭球下底环向应力σb2为σb2＝(P+gnρhb本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液体火箭椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法，包括：步骤一、确定椭球底圆柱贮箱应力分布。步骤二、确定贮箱设计所需壁厚。步骤三、对贮箱半径与椭球模数进行设计。步骤四、椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法验证。其特征在于：步骤一、建立椭球底圆柱贮箱数学模型，确定贮箱椭球上底、圆柱筒及椭球下底应力分布，反映贮箱的实际受力情况。步骤二、根据贮箱应力分布，在保证贮箱应力强度可靠性前提下，将贮箱应力转换为等效应力的形式，确定贮箱设计所需壁厚参数。步骤三、根据贮箱实际设计需求，确定贮箱质量与贮箱半径、椭球模数间的约束关系，以贮箱质量最小化为目标，对贮箱半径与椭球模数进行设计。步骤四、结合某型火箭贮箱设计参数实例，表明本专利技术提出的几何参数设计方法可有效减轻贮箱质量。

【技术特征摘要】
1.一种液体火箭椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法，包括：步骤一、确定椭球底圆柱贮箱应力分布。步骤二、确定贮箱设计所需壁厚。步骤三、对贮箱半径与椭球模数进行设计。步骤四、椭球底圆柱贮箱几何参数设计方法验证。其特征在于：步骤一、建立椭球底圆柱贮箱数学模型，确定贮箱椭球上底、圆柱筒及椭球下底应力分布，反映贮箱的实际受力情况。步骤二、...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛腾达，崔村燕，赵继广，杜小平，段永胜，王岩，赵蓓蕾，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11