航天推进剂贮箱金属膜片的多目标结构优化

发布时间：2020-08-23 21:59

【摘要】：化学推进系统在航天器中应用最为广泛,金属膜片贮箱作为其中的重要组成部分,实现了推进剂的存储和管理。贮箱能否实现推进剂有效的管理与控制,则主要取决于贮箱中金属膜片设计的优劣。金属膜片的设计主要涉及材料属性、膜片构型、几何参数以及制造工艺4个方面的因素,其中,几何参数对金属膜片翻转性能的影响较大。贮箱金属膜片翻转性能的表征指标主要有6个:膜片重量、贮箱排空效率、翻转稳定性、翻转难易程度、翻转结构强度和顶点偏心程度。当前大部分的研究都是使用正交实验设计和极差分析来针对金属膜片的某些翻转性能进行影响因素分析和选型设计,而对膜片进行明确优化设计的研究较少;且对金属膜片的优化分析也都是针对单个目标进行的。工程上不同工况下,对金属膜片的翻转性能的要求是不一样的,而且指标往往是非单一的。因而,对贮箱金属膜片进行多目标优化不仅是有意义的,也是不得不面对的问题。本文以边缘翻转型金属膜片贮箱为对象,主要进行了以下几个方面的研究:(1)贮箱排空效率可以通过金属膜片翻转容积来表征,在贮箱方案设计阶段需要快速且相对准确地对其进行预估。针对现有估算翻转容积方法的缺点,提出了快速求解贮箱金属膜片精确翻转容积的二维模型仿真计算方法。(2)对环向加筋的锥柱形金属膜片进行了参数化建模,通过实验设计和极差分析方法得到了几何参数对每种翻转性能的影响力大小,并找到了关键影响参数,从而为确定多目标优化的设计变量提供理论依据。(3)根据确定的设计变量,以膜片的翻转性能指标为响应,设计了100组正交实验,依据仿真计算结果训练得到了金属膜片翻转的近似模型,并进行了预测误差分析,结果表明构建的RBF神经网络模型满足精度要求。(4)提出金属膜片多目标结构优化的方法,并进行算例分析,对比分析优化前后的金属膜片翻转性能,结果表明优化后的翻转性能更优,实现了多目标优化的目的,证明了该方法的有效性与可行性。(5)贮箱的燃气挤压排液过程中存在着热量传递,而推进剂的温度必须保持在合适的范围内,显然,金属膜片的防热层厚度是重要的影响参数。在贮箱多学科分析的基础上,以防热层厚度为设计变量,对其防热效果进行了优化设计。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V421.33
【图文】：

贮箱,金属膜片,推进剂贮箱,抗渗透性

需的力和力矩，其重要性毋庸置疑。航天器上应用的基本上都是主动控制式推进系统，可以分为化学推进、电推进和新概念推进三种类型。其中化学推进系统应用最早，目前已有广泛的研究和发展，如图1-1所示，其工作过程大致为：高压气体经过减压后进入贮箱内，并挤压贮箱膜片，在内外压差作用下，膜片产生较大变形，开始翻转，同时将贮箱内的推进剂挤入输送管路，经过过滤元件之后进入推力装置，最终产生控制力，执行航天器的控制任务。由此可见，推进剂贮箱主要实现了推进剂的存储和管理，是航天器推进系统的重要组成部分。显然，贮箱能否实现推进剂有效的管理与控制，则主要取决于贮箱膜片结构设计的优劣。高压气瓶减压器金属膜片贮箱隔膜阀过滤器推力装置金属膜片h推进剂金属膜片高压气体推进剂贮箱圆弧段锥柱段预弯边段θ图1-1 推进系统与金属膜片贮箱Fig.1-1 Propulsion system and metal diaphragm tank推进剂贮箱的结构类型多种多样，金属膜片贮箱由于其具有重量轻、寿命长、可靠性高、相容性好、排放效率高、抗渗透性强

估算法,容积,外圆,膜片

图 2-2 最大外圆估算法求解容积f turnover volume by maximum outer circle个方面的原因：一是对于半球形差等因素，将导致最终得到的膜片，在翻转之后得到的真实型到的容积无法考虑膜片厚度、材，显然这是不合理的。因此需要翻转容积的方法，使得在尽可能提短设计周期，提高设计效率。解方法对金属膜片的有效翻转容积进行有效翻转容积的方法主要有两前一种方法计算准确，但耗时长适用于半球形膜片。考虑到设计

过程图,膜片,二维,过程

表 2-1 金属膜片几何参数Table 2-1 Geometric parameters of metal diaphragm几何参数符号备注预弯边半径 R0膜片为变厚度，分 3个区域层圆弧段半径 R1圆心高度 Y1固定边赤道圆直径 D0膜片厚度 t1/ t2/ t3不同厚度区域对应高度 H1/ H2/ H3以设计翻转容积为 9L 的金属膜片贮箱为例建立二维模型进行仿真分析，整个分析过程仅需 0.77 分钟，翻转过程如图 2-6 所示。采用同样的几何尺寸（母线相同）、材料属性和求解方法对全尺寸的三维膜片进行仿真分析，三维膜片翻转过程的模型如图 2-7 所示，整个分析过程耗时 302.1 分钟。二维膜片与三维膜片的翻转行为基本一致，均从预弯边处开始翻转，并向中心扩展，直至翻转完成。其中，Inc 为翻转过程中的载荷步，二维膜片在第 364 步完成翻转，三维膜片在第 314 步完成翻转。

【参考文献】