薄壁削弱槽结构应力集中分析、测量及优化研究

发布时间：2020-05-09 10:35

【摘要】：薄壁削弱槽结构是运载火箭主承力柱壳中一类特殊的结构形式,其刚度不连续的结构特性引起削弱槽尖端应力集中,极大地影响结构承载能力。因此对该类局部易损薄壁柱壳的研究分析对弹箭体的强度设计和减重优化具有重要意义。然而,一方面,该类薄壁结构的刚度不连续特性导致其承载规律复杂,削弱槽尖端应力集中的分析预测和优化设计具有一定困难,极大增加了弹箭体结构的设计与减重优化难度;另一方面,由于削弱槽结构尺寸过小且多为复杂曲面,现有测量技术无法精确的获得削弱槽尖端的应力集中程度,从而无法将结构的理论分析结果与实验数据进行比较,制约了薄壁削弱槽结构强度分析及优化设计的进一步发展。因此,在目前航天结构大直径和大径厚比设计发展趋势下,迫切需要建立一套面向薄壁削弱槽结构的应力集中预测手段和优化设计方法,实现对高性能主承力结构的快速设计。此外,亟需发展一种可靠的削弱槽尖端应力集中测量方法,实现对薄壁削弱槽结构在部段级/系统级实验中尖端应力的全场实时测量,为该类结构的强度实验提供测量技术支撑。本文以薄壁削弱槽结构为研究对象,首先建立一种高效解析方法,以实现对削弱槽尖端应力在弹性和塑性阶段的快速预测;同时发展一种普适性的尖端应力测量方法,实现对削弱槽尖端应力的实时测量。此外,围绕运载火箭级间线式分离环这一典型薄壁削弱槽结构的轴向承载/径向易损设计矛盾,提出一种凸台式线式分离环创新构型,该构型可在增强结构原有径向易损性能的同时,通过优化设计获得更高的轴向承载能力。为实现上述研究目的,本文主要进行了以下几方面研究:在线弹性范围内的薄壁削弱槽结构理论研究中,以环向削弱槽柱壳结构为代表,基于槽应力理论讨论了开槽结构的弹性力学基本方程,并进行了尖端应力状态分析。基于上述解析分析方法,考虑结构在服役环境中的非对称载荷边界条件,给出了薄壁削弱槽结构在偏心拉伸载荷下的应力集中系数解析表达式。进一步研究发现了结构在偏心载荷作用下的零应力集中现象,对高承载薄壁削弱槽结构设计具有指导意义。面向实际工程应用,给出了薄壁削弱槽结构零应力集中近似设计准则。在塑性范围内的薄壁削弱槽结构理论研究中,针对现有理论方法在集中应力分析中的高复杂性和高耗时的问题,提出了一种尖端塑性集中应力快速解析计算方法,并使用精细有限元模型对该解析方法进行数值验证。数值验证结果表明,本文建立的快速解析预测结果在弹性和塑性范围内均与精细有限元预测结果相吻合,证明本文提出的尖端塑性应力解析方法的有效性和适用性。针对缺乏薄壁削弱槽结构尖端应力测量技术的问题,本文提出了一种削弱槽尖端应力的间接测量方法:基于削弱槽邻域的可测量应力,建立其与尖端应力在弹性和塑性阶段的定量解析关系,从而实现削弱槽尖端应力的实验测量。精细有限元计算结果验证了该方法的有效性。为进一步验证该方法在实验环境下的正确性和适用性,以DIC光测结果为基准,进行了一系列单片级削弱槽试件的准静态拉伸实验。实验结果表明,本文提出的薄壁削弱槽尖端应力间接测量方法可在实验过程中准确获得结构尖端应力,其测量结果与光测结果一致。围绕线式分离环轴向承载/径向易损强耦合性设计困难,本文提出…种凸台式线式分离环创新构型,利用结构的偏心承载特点,优化邻近结构载荷传力路线,在保证结构径向易损能力的前提下提升轴向承载能力。结合数值仿真与参数优化方法,证明了本文提出的线式分离环创新构型的优势。此外,开展了一系原理性实验件的准静态拉伸实验,并分别基于DIC测量技术和尖端应力间接测量方法同步获得传统构型与创新构型的尖端应力。实验结果验证了创新构型设计思路的正确性。
【图文】：

薄壁结构,不连续结构,运载火箭,刚度

式的要求也越来越高，不同的受载情况需要不同的结构形式去满足，这就造成了箭体主逡逑承力柱壳呈现诸多刚度不连续的易损结构形式，如削弱槽、局部开孔、钉孔等结构形式，逡逑如图１．１所示。刚度不连续特征通常会引起薄壁结构局部出现应力集中现象，造成结构逡逑整体承载能力的大幅折减，从而给相应的薄壁结构强度设计带来挑战。因此，针对具有逡逑刚度不连续特征的薄壁结构开展其应力集中分析方法和测量技术研究，对大直径重型运逡逑载火箭的设计和优化具有重要意义。然而，，诸如削弱槽等典型刚度不连续细部结构，其逡逑结构形式和边界条件通常十分复杂，导致薄壁结构的承载规律不清晰，使得这类问题的逡逑解析分析和优化设计变得相当困难。因此，目前鲜有面向薄壁削弱槽结构的分析设计方逡逑法或实验标准。逡逑ＩＬ．逦Ｌｏｃａｌ邋0ｐｅｎｉｎｓｓ逡逑Ａ逦逦邋逦逦＇逡逑ｉ逡逑１１—逡逑（：ａｎｄ邋ｇｒｏｏｖｅｓ逡逑？逦逦逦１逡逑图１．１运载火箭薄壁结构的刚度不连续结构特征逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ邋ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ邋ｉｎ邋ｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｉｎ邋ｌａｕｎｃｈ邋ｖｅｈｉｃｌｅｓ

准则,方法,槽结构,密度法

即等效应变能密度法（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ邋Ｓｔｒａｉｎ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｄｅｎｓｉｔｙ，ＥＳＥＤ）。进一步的研究表逡逑明，Ｎｅｕｂｅｒ准则和ＥＳＥＤ方法分别给出了削弱槽结构尖端塑性应力的理论下限和理论上逡逑限，如图１．４所示。在１９７４年，Ｐｅｔｅｒｓｏｎ整理并汇总了彼时大多数关于削弱槽结构特征逡逑－５－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V414.4

【参考文献】