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衛(wèi)星推進(jìn)劑貯箱是衛(wèi)星中的重要部件之一，其工作過(guò)程中火箭發(fā)射時(shí)強(qiáng)烈的振動(dòng)及隨后的入軌、調(diào)姿，加上內(nèi)部充滿大量的推進(jìn)劑及高壓氣體，造成了貯箱的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境。因此，必須對(duì)推進(jìn)劑貯箱進(jìn)行有限元分析來(lái)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足貯箱的壽命、安全性要求。
進(jìn)入上世紀(jì)20年代以來(lái)，各國(guó)的航天工業(yè)都向著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，衛(wèi)星的生產(chǎn)也趨于小型化和系列化。通過(guò)對(duì)國(guó)外貯箱的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國(guó)外貯箱的殼體厚度都比我國(guó)的薄。而在國(guó)內(nèi)，有關(guān)這方面的研究工作開(kāi)展的并不多，在安全系數(shù)選取上一般偏于保守，生產(chǎn)出來(lái)的貯箱質(zhì)量也較重。為了發(fā)展更輕型的貯箱，提高有效載荷，有必要對(duì)貯箱殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在對(duì)貯箱進(jìn)行強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，就要用到有限元分析的方法。
采用STUT有限元分析軟件對(duì)現(xiàn)有的一個(gè)貯箱進(jìn)行建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
從圖中可以看出改進(jìn)后貯箱在工作壓力下應(yīng)力最大，它的變形量橫向?yàn)榭v向，滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后的貯箱尺寸分布為半球壁厚柱段壁厚。質(zhì)量比原來(lái)貯箱設(shè)計(jì)減輕+比實(shí)際加工貯箱質(zhì)量則減輕。
圖中可以看出，改進(jìn)后貯箱殼體在爆破壓力下的最大應(yīng)力為892，發(fā)生在上半球與支撐裙的連接處。貯箱整體的應(yīng)力狀態(tài)分布比較均勻，滿足等應(yīng)力設(shè)計(jì)的思想。加上焊縫的因素及液體的質(zhì)量因素，貯箱在爆破壓力下應(yīng)力不會(huì)大于894，滿足強(qiáng)度要求。
選取貯箱有限元模型上的結(jié)點(diǎn)，分析向位移載荷變化，如圖所示從圖中可以看出，該結(jié)點(diǎn)開(kāi)始時(shí)向位移隨著載荷的加大成線性變化，變化量并不大，這是因?yàn)椴牧显趶椥宰冃坞A段；從附近隨著載荷的加大位移變化逐漸的增加，這是符合實(shí)際情況的。同理，貯箱上結(jié)點(diǎn)向位移、應(yīng)力隨載荷變化也符合同樣的規(guī)律。
優(yōu)化后的貯箱滿足了強(qiáng)度要求，但這還不夠，還要滿足穩(wěn)定性條件和動(dòng)力學(xué)條件，隨后對(duì)貯箱進(jìn)行屈曲分析。
根據(jù)對(duì)國(guó)外資料的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國(guó)外的貯箱都比我國(guó)的貯箱質(zhì)量輕，其中殼體的質(zhì)量減輕占了很大的比例。為了提高有效載荷，減輕貯箱的質(zhì)量，所以根據(jù)等應(yīng)力設(shè)計(jì)的思想，對(duì)貯箱危險(xiǎn)的部位進(jìn)行了加厚處理，把貯箱殼體應(yīng)力不大的地方減薄，使貯箱的應(yīng)力狀態(tài)更加均勻化。
殼體優(yōu)化后的結(jié)果為柱段部分厚度為172，上下半球厚度為0.5。這時(shí)的貯箱已經(jīng)進(jìn)入到塑性變形階段，按照線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計(jì)算出來(lái)的結(jié)果并不準(zhǔn)確，這需要對(duì)貯箱進(jìn)行非線性分析。
1）首先將結(jié)構(gòu)離散成單元，分別建立單元局部坐標(biāo)系和結(jié)構(gòu)整體坐標(biāo)系，選取合適的位移模式，求出位移插值函數(shù)。
2）引入幾何條件及物理?xiàng)l件，并根據(jù)能量原理或靜力平衡條件求得單元結(jié)點(diǎn)力與結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系—單元?jiǎng)偠染仃嚒?br />
3）引入邊界條件，并根據(jù)邊界條件修正總剛度矩陣；解有限元基本方程得結(jié)構(gòu)整體坐標(biāo)系下的結(jié)點(diǎn)位移，并由此求得單元結(jié)點(diǎn)位移。
4）最后根據(jù)經(jīng)逆變換后得到的單元局部坐標(biāo)系中結(jié)點(diǎn)位移求得單元內(nèi)力。
首先對(duì)現(xiàn)在的貯箱進(jìn)行建模。根據(jù)貯箱的實(shí)際結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行合理的等效，對(duì)貯箱的圓角過(guò)渡都給于忽略，建立貯箱的幾何模型。貯箱結(jié)構(gòu)由上下2個(gè)半球、柱段、支撐裙組成。
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