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有限元分析在贮箱结构优化设计中的应用

发布于:2016-09-24 21:53
有限元分析

      卫星推进剂贮箱是卫星中的重要部件之一,其工作过程中火箭发射时强烈的振动及随后的入轨、调姿,加上内部充满大量的推进剂及高压气体,造成了贮箱的复杂力学环境。因此,必须对推进剂贮箱进行有限元分析来合理的优化设计,以满足贮箱的寿命、安全性要求。
      进入上世纪20年代以来,各国的航天工业都向着产业化方向发展,卫星的生产也趋于小型化和系列化。通过对国外贮箱的调研,发现国外贮箱的壳体厚度都比我国的薄。而在国内,有关这方面的研究工作开展的并不多,在安全系数选取上一般偏于保守,生产出来的贮箱质量也较重。为了发展更轻型的贮箱,提高有效载荷,有必要对贮箱壳体进行设计优化。在对贮箱进行强度分析和结构优化设计时,就要用到有限元分析的方法。
      采用STUT有限元分析App对现有的一个贮箱进行建模及结构优化设计。
      从图中可以看出改进后贮箱在工作压力下应力最大,它的变形量横向为纵向,满足设计要求。优化后的贮箱尺寸分布为半球壁厚柱段壁厚。质量比原来贮箱设计减轻+比实际加工贮箱质量则减轻。
      图中可以看出,改进后贮箱壳体在爆破压力下的最大应力为892,发生在上半球与支撑裙的连接处。贮箱整体的应力状态分布比较均匀,满足等应力设计的思想。加上焊缝的因素及液体的质量因素,贮箱在爆破压力下应力不会大于894,满足强度要求。
      选取贮箱有限元模型上的结点,分析向位移载荷变化,如图所示从图中可以看出,该结点开始时向位移随着载荷的加大成线性变化,变化量并不大,这是因为材料在弹性变形阶段;从附近随着载荷的加大位移变化逐渐的增加,这是符合实际情况的。同理,贮箱上结点向位移、应力随载荷变化也符合同样的规律。
      优化后的贮箱满足了强度要求,但这还不够,还要满足稳定性条件和动力学条件,随后对贮箱进行屈曲分析。
      根据对国外资料的调研,发现国外的贮箱都比我国的贮箱质量轻,其中壳体的质量减轻占了很大的比例。为了提高有效载荷,减轻贮箱的质量,所以根据等应力设计的思想,对贮箱危险的部位进行了加厚处理,把贮箱壳体应力不大的地方减薄,使贮箱的应力状态更加均匀化。
      壳体优化后的结果为柱段部分厚度为172,上下半球厚度为0.5。这时的贮箱已经进入到塑性变形阶段,按照线性的应力应变关系计算出来的结果并不准确,这需要对贮箱进行非线性分析。
      1)首先将结构离散成单元,分别建立单元局部坐标系和结构整体坐标系,选取合适的位移模式,求出位移插值函数。
      2)引入几何条件及物理条件,并根据能量原理或静力平衡条件求得单元结点力与结点位移之间的关系—单元刚度矩阵。
      3)引入边界条件,并根据边界条件修正总刚度矩阵;解有限元基本方程得结构整体坐标系下的结点位移,并由此求得单元结点位移。
      4)最后根据经逆变换后得到的单元局部坐标系中结点位移求得单元内力。
      首先对现在的贮箱进行建模。根据贮箱的实际结构,并进行合理的等效,对贮箱的圆角过渡都给于忽略,建立贮箱的几何模型。贮箱结构由上下2个半球、柱段、支撑裙组成。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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