超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法及系统，包括：步骤S1：确定贮箱的基本构型参数，对缠绕层纤维基体和树脂体系进行选材设计，对管理装置和内衬进行选材设计，对超薄内衬进行参数化设计；步骤S2：在内衬设计的基础上，通过有限元进行参数化建模，对内衬进行屈曲分析，进行复合材料缠绕层设计；步骤S3：对贮箱壳体的强度裕度和刚度进行校核，对贮箱建模进行仿真分析；步骤S4：根据分析结果，策划地面试验验证矩阵，并对测试覆盖性进行分析；根据试验测试结果优化设计。本发明专利技术为超薄内衬复合材料缠绕贮箱设计提供了有效的方法，可以应用于复合材料缠绕同类结构产品。品。品。

【技术实现步骤摘要】
超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及航天液体推进
，具体地，涉及一种超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法及系统。

技术介绍

[0002]随着航天技术的发展，推进系统对推进剂贮箱的轻质化设计要求越来越高。与传统的金属材料贮箱相比，复合材料缠绕贮箱具有重量轻、可靠性高、失效模式安全等诸多优点，复合材料缠绕结构以其绝对的性能优势正形成逐步取代金属结构的趋势，国内研制的500多、2900多升复合材料缠绕式贮箱已经成功应用于推进系统，并经飞行试验考核。
[0003]为了最大发挥复合材料缠绕结构的性能优势，航天领域的推进剂贮箱均采用超薄内衬+复合材料缠绕结构，超薄内衬主要起密封作用，缠绕层主要起承压作用。众所周知，随着运载火箭发射的几百吨甚至上千吨的起飞重量，其贮箱作为装满高密度液体推进剂的结构产品来说，经历的力、热环境非常恶劣，超出所有复杂系统工程的工作条件，可以说没有比航天产品的经历环境条件更恶劣的产品，这对超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计提出了极大的挑战。
[0004]另一方面，复合材料技术学科作为新兴的技术，虽然目前使用较多，但其基础理论依然薄弱、不完善，受缠绕工艺、材料各向异性、与内衬接触界面特征多变等诸多因素的影响，分析计算结果与试验验证结果误差较大、甚至出现偏离。目前尚无较为成熟、精确的理论和方法作为超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计依据。
[0005]专利文献CN104608987B公开了一种复合材料蜂窝结构贮箱及其制备方法，复合材料贮箱内蒙皮的成型采用铺层<br/>‑
缠绕相结合的方式；并设计充气装置平衡贮箱内外压差带来的失稳影响；蜂窝为变厚度结构，埋件为空间结构，同时铺覆面为整个球面，为了更好的保证变厚度蜂窝、埋件与蒙皮的贴附，实现高球面的精度，在铺覆过程中将采用专用工装对蜂窝进行定位；复合材料贮箱外蒙皮的成型采用铺层的方式铺设复合材料预浸布；复合材料蜂窝结构贮箱固化采用碳纤维复合材料面板固化和铝蜂窝芯材胶接同时完成的共固化工艺。但该专利技术没有提供一种基于有限元分析技术和工程技术的针对于复合材料缠绕贮箱的设计方法，没有解决超薄内衬复合材料缠绕贮箱
设计准则欠缺和基础理论不完善的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法及系统。
[0007]根据本专利技术提供的一种超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法，包括：
[0008]步骤S1：确定贮箱的基本构型参数，对缠绕层纤维基体和树脂体系进行选材设计，对管理装置和内衬进行选材设计，对超薄内衬进行参数化设计；
[0009]步骤S2：在内衬设计的基础上，通过有限元进行参数化建模，对内衬进行屈曲分
析，进行复合材料缠绕层设计；
[0010]步骤S3：对贮箱壳体的强度裕度和刚度进行校核，对贮箱建模进行仿真分析；
[0011]步骤S4：根据分析结果，策划地面试验验证矩阵，并对测试覆盖性进行分析；根据试验测试结果优化设计。
[0012]优选地，在所述步骤S1中：
[0013]贮箱构型设计：根据推进剂装载量的任务需求和总装结构布局确定贮箱的基本构型参数包括：容积、形状尺寸和安装接口；
[0014]根据推进剂装填量和单机装配数量确定单个贮箱的设计容积V；
[0015]根据设计容积和总装布局约束条件，对贮箱构型进行设计，贮箱构型包括球型、球柱形和椭球形，确定贮箱的内径D
i
、柱段高度h、封头形状系数K；
[0016]根据安装尺寸要求设计气、液路接口形式和尺寸，设计安装结构形式和尺寸；
[0017]贮箱选材设计：根据任务书对贮箱结构效率的要求，对缠绕层纤维基体和树脂体系进行选材设计，根据相容性原则和工艺性对管理装置进行选材设计，根据相容性原则和管理装置方案对内衬进行选材设计；
[0018]根据相容性、成型工艺性、焊接工艺性、材料性能稳定性、经济性原则选择贮箱材料，选用经飞行试验验证的材料；
[0019]根据任务书重量、使用温度指标要求，对基体纤维材料和树脂体系进行选材设计，
[0020]根据任务书重量、接口连接方式要求，对壳体内衬材料进行选材设计；
[0021]根据推进剂管理、晃动要求，对管理装置进行选材设计；
[0022]超薄内衬设计：超薄内衬依据稳定性、密封性、疲劳设计准则，根据任务对密封性和工作疲劳的性能指标、内衬的稳定性要求，对超薄内衬的薄膜区壁厚、焊接工艺方式、焊缝区结构进行参数化设计；
[0023]依据成型工艺性，确定内衬的焊缝数量和位置，确定焊接工艺方法；
[0024]依据稳定性设计准则，确定内衬圆柱段、封头的薄膜区壁厚t，焊缝区补强壁厚t1和过渡区结构尺寸；
[0025]依据密封性设计准则，确定接口密封结构；
[0026]依据疲劳设计准则，对内衬进行耐疲劳设计，缠绕贮箱的内衬疲劳设计包括焊缝区的疲劳设计。
[0027]优选地，在所述步骤S2中：
[0028]超薄内衬屈曲分析：在内衬设计的基础上，通过有限元进行参数化建模，对内衬进行屈曲分析，分析内衬的屈曲模态和临界载荷；
[0029]根据超薄内衬设计确定的结构参数建立内衬的有限元分析模型，模型包括材料属性、边界条件和载荷；采用弧长法进行屈曲分析，求解内衬的屈曲模态和临界载荷；
[0030]复合材料缠绕层设计：贮箱的复合材料缠绕层设计需要同时满足强度和刚度准则，强度设计根据工作压力和安全系数进行，刚度设计根据内衬屈曲临界载荷、变形要求进行，量化得到缠绕层参数包括缠绕线型、缠绕角和厚度；
[0031]根据工作压力和安全系数确定贮箱的爆破压力要求值，根据爆破压力要求值确定缠绕层线型、缠绕角、厚度参数；
[0032]根据外压载荷要求、变形要求和分析得到的内衬屈曲临界载荷确定缠绕层和内衬
接触面的结合方式、缠绕层补强区域和补强厚度。
[0033]优选地，在所述步骤S3中：
[0034]贮箱壳体强度和刚度校核：利用经典公式和工程经验公式对贮箱壳体的强度裕度和刚度进行校核，满足相关规范的安全系数要求；贮箱壳体包括超薄内衬和复合材料缠绕层；
[0035]有限元分析校核：利用有限元分析软件对贮箱建模进行仿真分析，分析内容包括贮箱壳体承压强度和变形、壳体稳定性、静力学过载、动力学频响分析，对分析结果进行判定，若不满足设计要求修改参数重新分析，直到满足要求；
[0036]建模：贮箱有限元分析模型包括管理装置、内衬和缠绕层，模型根据分析项目进行结构和边界条件的处理，对于无法模拟的工艺参数采用折算因子进行模拟；
[0037]承压强度和变形分析：分析内压压强载荷状态下内衬、缠绕层的应力和变形；
[0038]壳体稳定性分析：分析外压压强载荷、内压压强载荷卸载过程、加热固化及热应力状态下稳定性；
[0039]静力学过载分析：分析静力学过载条件下贮箱安装结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法，其特征在于，包括：步骤S1：确定贮箱的基本构型参数，对缠绕层纤维基体和树脂体系进行选材设计，对管理装置和内衬进行选材设计，对超薄内衬进行参数化设计；步骤S2：在内衬设计的基础上，通过有限元进行参数化建模，对内衬进行屈曲分析，进行复合材料缠绕层设计；步骤S3：对贮箱壳体的强度裕度和刚度进行校核，对贮箱建模进行仿真分析；步骤S4：根据分析结果，策划地面试验验证矩阵，并对测试覆盖性进行分析；根据试验测试结果优化设计。2.根据权利要求1所述的超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中：贮箱构型设计：根据推进剂装载量的任务需求和总装结构布局确定贮箱的基本构型参数包括：容积、形状尺寸和安装接口；根据推进剂装填量和单机装配数量确定单个贮箱的设计容积V；根据设计容积和总装布局约束条件，对贮箱构型进行设计，贮箱构型包括球型、球柱形和椭球形，确定贮箱的内径D
i
、柱段高度h、封头形状系数K；根据安装尺寸要求设计气、液路接口形式和尺寸，设计安装结构形式和尺寸；贮箱选材设计：根据任务书对贮箱结构效率的要求，对缠绕层纤维基体和树脂体系进行选材设计，根据相容性原则和工艺性对管理装置进行选材设计，根据相容性原则和管理装置方案对内衬进行选材设计；根据相容性、成型工艺性、焊接工艺性、材料性能稳定性、经济性原则选择贮箱材料，选用经飞行试验验证的材料；根据任务书重量、使用温度指标要求，对基体纤维材料和树脂体系进行选材设计，根据任务书重量、接口连接方式要求，对壳体内衬材料进行选材设计；根据推进剂管理、晃动要求，对管理装置进行选材设计；超薄内衬设计：超薄内衬依据稳定性、密封性、疲劳设计准则，根据任务对密封性和工作疲劳的性能指标、内衬的稳定性要求，对超薄内衬的薄膜区壁厚、焊接工艺方式、焊缝区结构进行参数化设计；依据成型工艺性，确定内衬的焊缝数量和位置，确定焊接工艺方法；依据稳定性设计准则，确定内衬圆柱段、封头的薄膜区壁厚t，焊缝区补强壁厚t1和过渡区结构尺寸；依据密封性设计准则，确定接口密封结构；依据疲劳设计准则，对内衬进行耐疲劳设计，缠绕贮箱的内衬疲劳设计包括焊缝区的疲劳设计。3.根据权利要求1所述的超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中：超薄内衬屈曲分析：在内衬设计的基础上，通过有限元进行参数化建模，对内衬进行屈曲分析，分析内衬的屈曲模态和临界载荷；根据超薄内衬设计确定的结构参数建立内衬的有限元分析模型，模型包括材料属性、边界条件和载荷；采用弧长法进行屈曲分析，求解内衬的屈曲模态和临界载荷；
复合材料缠绕层设计：贮箱的复合材料缠绕层设计需要同时满足强度和刚度准则，强度设计根据工作压力和安全系数进行，刚度设计根据内衬屈曲临界载荷、变形要求进行，量化得到缠绕层参数包括缠绕线型、缠绕角和厚度；根据工作压力和安全系数确定贮箱的爆破压力要求值，根据爆破压力要求值确定缠绕层线型、缠绕角、厚度参数；根据外压载荷要求、变形要求和分析得到的内衬屈曲临界载荷确定缠绕层和内衬接触面的结合方式、缠绕层补强区域和补强厚度。4.根据权利要求1所述的超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中：贮箱壳体强度和刚度校核：利用经典公式和工程经验公式对贮箱壳体的强度裕度和刚度进行校核，满足相关规范的安全系数要求；贮箱壳体包括超薄内衬和复合材料缠绕层；有限元分析校核：利用有限元分析软件对贮箱建模进行仿真分析，分析内容包括贮箱壳体承压强度和变形、壳体稳定性、静力学过载、动力学频响分析，对分析结果进行判定，若不满足设计要求修改参数重新分析，直到满足要求；建模：贮箱有限元分析模型包括管理装置、内衬和缠绕层，模型根据分析项目进行结构和边界条件的处理，对于无法模拟的工艺参数采用折算因子进行模拟；承压强度和变形分析：分析内压压强载荷状态下内衬、缠绕层的应力和变形；壳体稳定性分析：分析外压压强载荷、内压压强载荷卸载过程、加热固化及热应力状态下稳定性；静力学过载分析：分析静力学过载条件下贮箱安装结构、壳体的应力和变形，该状态根据产品环境要求考虑是否叠加工作压力下内压强度载荷；动力学频响分析：进行贮箱空载和满载状态的模态和基频分析、振动、冲击环境的频响分析；管理装置管理能力分析：对于金属隔膜和非金属隔膜结构，进行变形分析，对于表面张力结构，进行流体管理分析；对分析结果进行判定，若不满足设计要求需要修改参数重新分析，直到满足要求。5.根据权利要求1所述的超薄内衬复合材料缠绕贮箱的设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中：验证试验策划：根据分析校核结果，策划地面试验验证矩阵，并对测试覆盖性进行分析；根据贮箱各类研制规范、标准和任务书要求，结合分析结果，策划地面试验验证矩阵，验证试验矩阵应包括承压试验、稳定性验证试验、静力学或动力学环境试验、热环境试验、管理装置性能验证试验；根据试验测试结果优化设计：根据试验测试结果对贮箱进行再次优化设计，并对有限元仿真分析的建模方法进行修正和优化；复合材料缠绕层设计过程结合超薄内衬设计进行耦合设计，二者在承压、变形上进行匹配；复合材料缠绕层和超薄内衬接触面特征设计，接触面特征包括滑动、摩擦和粘接；复合材料缠绕层和超薄内衬相互补强；所述的设计方法包括有限元分析方法和工程试验技术方法；
所述的设计方法根据有限元仿真分析对贮箱设计进行第一次优化；所述的设计方法根据工程试验结果对贮箱设计进行第二次优化；所述的设计方法根据工程试验结果对有限元分析方法进行修正和优化。6.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔艳伟，王婷婷，葛宁，施金箭，施华，赵和明，刘建盈，崔青，周文华，
申请(专利权)人：上海空间推进研究所，
类型：发明
国别省市：