一种基于运载火箭内压效应的柱形贮箱强度设计方法，通过选取初始内压增益系数，修正轴压承载力目标设计值，基于工程算法进行设计参数优化，对优化后参数采用有限元方法进行内压作用下的轴压极限承载力校核，根据承载力有限元计算值与设计目标值的偏差调整内压增益系数，从而进行新一轮参数优化和校核，不断迭代至得到最优设计参数，相比传统设计方法，能够得到载重比更高的设计参数，进一步提高柱形贮箱筒段的结构效率，并且能够克服仅基于有限元方法进行优化的效率不高问题。元方法进行优化的效率不高问题。元方法进行优化的效率不高问题。
【技术实现步骤摘要】
一种基于运载火箭内压效应的柱形贮箱强度设计方法
[0001]本专利技术涉及一种基于运载火箭内压效应的柱形贮箱强度设计方法，属于运载火箭贮箱强度设计领域。
技术介绍
[0002]运载火箭推进剂贮箱当前普遍采用柱形承力式贮箱，既起到贮存推进剂的作用，又传递箭体载荷。柱形承力式贮箱一般包括前后底、前后短壳和筒段等部件，筒段的主要受载形式为轴内压联合作用。进行柱形贮箱筒段结构强度设计时，通常的做法是：1)先根据内压载荷设计壁厚，确保整箱在最大内压工况的应力强度满足要求，2)然后计算步骤1中的壁厚下的轴压稳定性极限承载能力，如极限承载力大于当量轴压设计载荷，则设计完成；如极限承载力小于当量轴压设计载荷，则单纯增加壁厚或增加网格形式的筋条，通过优化结合工艺实施性确定较优的方案，使得轴压极限承载力满足要求。然而，上述强度设计方法的虽然流程清晰、易于实施，但并未考虑一定内压作用下、对贮箱轴压稳定性承载能力的有益影响，结构重量有一定富余，阻碍结构效率的进一步提高。
技术实现思路
[0003]本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中，柱形贮箱筒段结构强度设计的常规做法存在缺陷的问题，提出了一种基于运载火箭内压效应的柱形贮箱强度设计方法。
[0004]本专利技术解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
[0005]一种基于运载火箭内压效应的柱形贮箱强度设计方法，步骤如下：
[0006](1)对运载火箭发射任务中柱形贮箱载荷进行工况梳理，识别最大内压设计载荷、筒段最大当量轴压设计载荷及对应的内压使用载荷；
[0007](2)根据最大内压设计载荷设计柱形贮箱壁板厚度，根据最大内压设计载荷、壁板材料强度极限计算最小基础壁板厚度初步设计值；
[0008](3)根据步骤(2)所得壁板厚度初步设计值，依次进行柱形贮箱液压试验工况、轴内压载荷联合作用工况的应力校核，当液压试验工况的计算应力小于材料屈服强度时进行下一项轴内压载荷联合作用工况的应力校核，当计算应力大于材料屈服强度时，以0.1mm为单位递增壁厚直至计算应力小于材料屈服强度后进行下一项；
[0009]轴内压载荷联合作用工况应力校核的操作步骤与液压试验工况一致，当计算应力小于材料屈服强度时当前壁厚即为最终设计值，当计算应力大于材料屈服强度时，以0.1mm为单位递增壁厚直至计算应力小于材料屈服强度后所得壁厚即为最终设计值；
[0010](4)根据最大内压设计载荷初步选取内压增益系数a，调整柱形贮箱原极限承载力设计目标值Nj至Njm，其中Njm＝Nj/a；
[0011](5)以调整后的柱形贮箱原极限承载力设计目标值Njm为约束条件，以贮箱载重比最大为目标进行贮箱设计参数优化，获取最优设计参数；
[0012](6)根据所得最优设计参数建立对应的有限元模型，计算内压作用下结构轴压极
限承载力Nlj；
[0013](7)将内压作用下结构轴压极限承载力Nlj与柱形贮箱原极限承载力设计目标值Nj进行比较，若Nlj大于Nj，则完成强度设计；若Nlj小于Nj，则修正内压增益系数，返回步骤(4)，直至Nlj大于Nj，完成强度设计。
[0014]所述步骤(6)中，计算内压作用下结构轴压极限承载力Nlj的具体方法为：
[0015]仅施加内压载荷，使贮箱结构变形；
[0016]控制内压载荷不变，施加轴压载荷，通过非线性分析方法获取贮箱结构的载荷位移曲线，确定临界承载力，计算内压作用下结构轴压极限承载力Nlj。
[0017]所述步骤(7)中，若Nlj大于等于Nj，则最优设计参数满足设计需求，完成强度设计，若Nlj小于Nj，则根据Nlj、Nj的比值对内压增益系数进行修正以减小，返回步骤(4)，直至通过有限元方法的轴压校核极限承载力满足Nlj大于等于Nj，完成强度设计。
[0018]所述步骤(7)中，若Nlj大于1.1倍Nj时，通过Nlj、Nj的比值对内压增益系数进行修正以增大，并返回步骤(4)，保证通过有限元方法的轴压校核极限承载力满足Nlj大于等于Nj，完成强度设计。
[0019]所述步骤(2)中，最小基础壁板厚度初步设计值应满足柱形贮箱设计的强度裕度指标要求，通过薄圆柱壳内压载荷作用下的应力计算公式计算最小基础壁板厚度初步设计值。
[0020]所述内压增益系数根据贮箱内压对筒段轴压承载力的影响情况选取。
[0021]所述内压增益系数选取范围为1.0至1.2。
[0022]计算获取最小基础壁板厚度初步设计值后，以贮箱整箱液压试验下应力不屈服、轴内压联合作用下等效应力不屈服进行校核。
[0023]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0024]本专利技术提供的一种基于运载火箭内压效应的柱形贮箱强度设计方法，考虑内压对承载力的影响进行强度优化设计，同时考虑内压作用对轴压承载能力的增益效果，通过引入内压增益系数进行基于工程算法的迭代优化，有限元分析仅作校核，大大减少了有限元计算次数，解决了直接基于有限元分析进行优化的效率低问题。
附图说明
[0025]图1为专利技术提供的柱形贮箱强度设计方法流程图；
具体实施方式
[0026]一种基于运载火箭内压效应的柱形贮箱强度设计方法，进行柱形贮箱强度设计时，在得到满足最大内压工况应力强度的壁厚设计值后，初步选取内压增益系数，考虑内压增益系数后轴压稳定性极限承载力目标值有所降低，运用光筒壳或网格加筋壳轴压极限承载力的工程计算方法进行设计参数优化，得到满足目标极限承载力的最优构型和设计参数，然后建立相应的有限元模型，通过有限元方法计算内压作用下的结构轴压极限承载能力，若该极限承载力大于原目标值(未做内压增益修正)，则完成相应的结构强度优化设计，若该极限承载力小于原目标值，则根据该极限承载力与原目标值的比值修正上述内压增益系数使其减小，再重新进行基于工程算法的设计参数优化和有限元校核，反复迭代，直至有
限元方法的轴内压校核极限承载力满足原设计目标值。
[0027]具体方法流程如下：
[0028](1)对运载火箭发射任务中柱形贮箱载荷进行工况梳理，识别最大内压设计载荷、筒段最大当量轴压设计载荷及对应的内压使用载荷；
[0029](2)根据最大内压设计载荷设计柱形贮箱壁板厚度，根据最大内压设计载荷、壁板材料强度极限计算最小基础壁板厚度初步设计值；
[0030]其中，最小基础壁板厚度初步设计值应满足柱形贮箱设计的强度裕度指标要求，通过薄圆柱壳内压载荷作用下的应力计算公式计算最小基础壁板厚度初步设计值；
[0031](3)根据步骤(2)所得壁板厚度初步设计值，依次进行柱形贮箱液压试验工况、轴内压载荷联合作用工况的应力校核，当液压试验工况的计算应力小于材料屈服强度时进行下一项轴内压载荷联合作用工况的应力校核，当计算应力大于材料屈服强度时，以0.1mm为单位递增壁厚直至计算应力小于材料屈服强度后进行下一项；
[0032]轴内压载荷联合作用工况应力校核的操作步骤与液压试验工况本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于运载火箭内压效应的柱形贮箱强度设计方法，其特征在于步骤如下：(1)对运载火箭发射任务中柱形贮箱载荷进行工况梳理，识别最大内压设计载荷、筒段最大当量轴压设计载荷及对应的内压使用载荷；(2)根据最大内压设计载荷设计柱形贮箱壁板厚度，根据最大内压设计载荷、壁板材料强度极限计算最小基础壁板厚度初步设计值；(3)根据步骤(2)所得壁板厚度初步设计值，依次进行柱形贮箱液压试验工况、轴内压载荷联合作用工况的应力校核，当液压试验工况的计算应力小于材料屈服强度时进行下一项轴内压载荷联合作用工况的应力校核，当计算应力大于材料屈服强度时，以0.1mm为单位递增壁厚直至计算应力小于材料屈服强度后进行下一项；轴内压载荷联合作用工况应力校核的操作步骤与液压试验工况一致，当计算应力小于材料屈服强度时当前壁厚即为最终设计值，当计算应力大于材料屈服强度时，以0.1mm为单位递增壁厚直至计算应力小于材料屈服强度后所得壁厚即为最终设计值；(4)根据最大内压设计载荷初步选取内压增益系数a，调整柱形贮箱原极限承载力设计目标值Nj至Njm，其中Njm＝Nj/a；(5)以调整后的柱形贮箱原极限承载力设计目标值Njm为约束条件，以贮箱载重比最大为目标进行贮箱设计参数优化，获取最优设计参数；(6)根据所得最优设计参数建立对应的有限元模型，计算内压作用下结构轴压极限承载力Nlj；(7)将内压作用下结构轴压极限承载力Nlj与柱形贮箱原极限承载力设计目标值Nj进行比较，若Nlj大于Nj，则完成强度设计；若Nlj小于Nj，则修正内压增益系数，返回步骤(4)，直至Nlj大于Nj，完成强度设计。2.根据权利要求1所述的一种基于运载火箭内压效应的柱形贮箱强度设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中，计算内压作用下结构轴压极限承载力Nlj的具...
【专利技术属性】
技术研发人员：李昊，张卫东，顾铖璋，冀宾，郑华勇，楼云锋，张醒，王春林，
申请(专利权)人：上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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