大型整流罩分离仿真研究

发布时间：2017-04-29 13:19

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【摘要】：大型整流罩分离系统是火箭飞行中一个关键的子系统,决定着火箭能否顺利的将有效载荷送入预定轨道。随着中国航天技术的进步,新一代运载火箭正朝着大直径、大推力的方向发展,火箭整流罩的结构尺寸也在发生着跨越式的增长。由于整流罩结构整体尺寸增加和采用旋转分离形式,使得整流罩刚度减小,分离过程将引起较为剧烈的弹性变形,减小罩内有效包络,增加整流罩与有效载荷及箭体碰撞的危险性。此外,整流罩规模的增大将引起地面试验时产生较大的气动阻力,阻碍整流罩分离,甚至可能使之无法分离。因此,采取数值方法对整流罩分离和地面试验进行仿真预示就变得十分重要了。为了研究整流罩在不同分离能源输入下的动力学响应问题,本文建立了精细有限元模型,并基于刚体模型仿真说明仿真流程的可行性,在此基础上开展了弹性整流罩的仿真工作,阐述了考虑弹性振动下的分离和变形特性。为了准确模拟地面试验过程,本文利用流固耦合方法开展考虑气动的分离仿真工作,获得了分离过程中的流场变化规律,预示了地面试验的分离特性。考虑到初始瞬态冲击的复杂性,本文最后对整流罩冲击响应问题展开讨论,揭示了整流罩瞬态冲击下的变形模式。本文主要研究内容为：1)建立精细有限元模型,利用刚体动力学和能量原理推导理论分离特性；通过精细刚体的仿真工作,获得刚体分离特性并说明相关有限元模型参数设置的正确性和利用ABAQUS商业软件进行大型整流罩分离仿真的可行性。2)通过整流罩模态分析,预示出分离中可能存在的危险振动模式；仿真获得了弹性整流罩不同分离能源输入下的分离特性、呼吸变形、能量等参数；分析了不同弹簧建模方式对刚体和弹性体仿真的影响。结果表明在真空环境中,整流罩能够成功分离,且与罩内有效载荷无干涉接触；能源输入越多,越有利于分离；弹簧建模方式对刚体仿真影响不大,但对弹性体仿真有较大影响,弹簧项杆能够抑制呼吸变形和轴向变形。3)基于CEL方法开展了地面分离预示工作,阐述了流场变化规律。分析结果表明地面试验中,气动阻力对分离过程影响很大；冷气系统对分离试验贡献不大,反而带来系统可靠性问题；初始罩内形成负压,引起较大气动阻力,分离中,气体不断冲入罩内,气动阻力逐渐减小。4)通过对整流罩初始瞬态冲击响应分析,指出瞬态冲击环境给整流罩带来两倍的动力放大；瞬态冲击激发出整流罩带边界约束模态下的第三阶振型。
【关键词】：整流罩 分离仿真 CEL方法 冲击响应
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V411.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 课题背景与意义10-12
• 1.2 国内外研究概述12-17
• 1.2.1 整流罩分离技术研究概述12-14
• 1.2.2 整流罩地面试验及仿真研究概述14-17
• 1.3 本文主要研究内容17-19
• 2 有限元建模和刚性整流罩分离仿真19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 大型火箭整流罩有限元建模19-23
• 2.2.1 基本结构组成和分离方案19-20
• 2.2.2 有限元模型20-21
• 2.2.3 单元选择和材料属性21-22
• 2.2.4 有限元模型边界条件和载荷工况22-23
• 2.3 刚体分离仿真的理论求解方法23-27
• 2.3.1 基于刚体动力学求解分离时程23-25
• 2.3.2 基于能量原理求解分离特性25-27
• 2.4 刚体分离仿真的数值计算方法27-28
• 2.5 理论求解和数值计算结果分析28-30
• 2.6 小结30-31
• 3 弹性整流罩动力学分析及分离仿真计算31-53
• 3.1 引言31
• 3.2 弹性动力学基本求解方法31-34
• 3.2.1 动力学基本方程31
• 3.2.2 系统固有频率和固有振型的求解31-33
• 3.2.3 非线性显式动力学求解33-34
• 3.3 整流罩半罩结构模态分析34-36
• 3.4 弹性整流罩分离仿真结果36-47
• 3.4.1 分离仿真计算假设36-37
• 3.4.2 分离特性37-39
• 3.4.3 弹簧性态分析39-40
• 3.4.4 呼吸运动40-44
• 3.4.5 能量分析44-46
• 3.4.6 刚体、弹性体仿真结果对比46-47
• 3.5 弹簧分离系统建模方式对比47-52
• 3.5.1 弹簧建模方式对刚体仿真的影响48-49
• 3.5.2 弹簧建模方式对弹性体仿真的影响49-52
• 3.6 本章小结52-53
• 4 基于CEL方法的整流罩地面分离试验预示53-64
• 4.1 引言53
• 4.2 CEL方法简介53-57
• 4.2.1 欧拉公式53-54
• 4.2.2 算子分离54-55
• 4.2.3 离散方式55-56
• 4.2.4 CEL相关设置参数和接触算法56-57
• 4.3 模型简化和验证57-59
• 4.3.1 整流罩模型简化57
• 4.3.2 流场建模57-58
• 4.3.3 简化刚体模型验证58-59
• 4.4 仿真结果与分析59-62
• 4.4.1 地面试验仿真分离特性和能量占比59-60
• 4.4.2 流场分布规律60-62
• 4.5 建模和计算方法比较62-63
• 4.6 小结63-64
• 5 铰链和整流罩轴向冲击响应分析64-72
• 5.1 引言64
• 5.2 铰链销轴动力冲击分析64-67
• 5.2.1 分析模型和材料属性64-65
• 5.2.2 仿真结果65-67
• 5.3 整流罩轴向冲击响应分析67-71
• 5.3.1 带有约束边界的模态分析67-68
• 5.3.2 初始阶段冲击响应分析68-71
• 5.4 本章小结71-72
• 结论72-73
• 参考文献73-76
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况76-77
• 致谢77-78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 李耀民;卫星整流罩设计与“三化”[J];导弹与航天运载技术;1999年02期

2 李东;程堂明;;中国新一代运载火箭发展展望[J];中国工程科学;2006年11期

3 李哲;范学领;孙秦;万小朋;;大型整流罩分离动力学简化建模及仿真分析[J];固体火箭技术;2012年05期

4 李刚;李彬;郝鹏;王博;唐霄汉;何巍;栾宇;柳海龙;;弹簧组件对大型弹性整流罩分离动力学的影响[J];固体火箭技术;2015年03期

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本文编号：334961