一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构及其设计方法

摘要

一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构及其设计方法，属于航空航天贮箱技术领域。该叉形环应力扩散结构是轴对称结构，结构主要特征体现于结构的截面构型，截面构型主要包括：Y形过渡区、焊缝热影响区、筒段区域。所述的非等厚壁面叉形环应力扩散结构采用双面应力均化方法，确定截面厚度的结构参数，优化后焊接区轴向应力非常均匀，接近纯轴拉受力状态，贮箱的承载能力相较传统设计方案大幅提高。本发明解决其原始焊缝设计缺陷问题，创造性解决了“大直径叉形环－异态环焊缝－大径厚比筒壁”新型复合结构变形协调与应力有效扩散难题，实现大直径运载火箭贮箱叉形环结构的结构设计。

权利要求

1.一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构，其特征在于，所述的叉形环应力扩散结构是轴对称结构，结构主要特征体现于结构的截面构型，采用双面应力均化方法确定截面厚度的结构参数；所述的叉形环应力扩散结构的截面构型主要包括三个区域：叉形环过渡区、焊缝热影响区、筒段区域；

所述的叉形环过渡区外侧表面竖直且光滑，内侧表面呈弧形且光滑；所述的焊缝热影响区外侧表面竖直且变厚度，内侧表面竖直且变厚度；所述的筒段区域外侧表面竖直且变厚度，内侧表面竖直且变厚度。

2.根据权利要求1所述的一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构，其特征在于，所述的叉形环应力扩散结构的材料选用可焊性好的高强铝合金板材，且使用前板材做预拉伸处理；

壁板整体机械铣切后滚弯；机铣圆角减少结构废重。

3.一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构的设计方法，其特征为：

采用双面应力均化方法确定叉形环过渡区、焊缝热影响区和筒段区域的内外侧表面参数，即扩散结构截面厚度的结构参数：采用参数优化和形状优化的协同优化策略对非等厚壁面叉形环应力扩散结构进行设计，具体为：进行形状优化设计，使焊缝热影响区轴向应力差水平降低：以叉形环体内侧壁面节点坐标为设计变量，以最小化焊缝热影响区最大轴向应力为目标，约束叉形环体最大应力水平，对叉形环过渡区内表面进行形状优化；

再进行参数优化设计，使焊缝热影响区轴向应力曲线平缓：以控制筒段厚度参数为设计变量，以焊缝热影响区内壁轴向应力差最小为目标，约束焊缝热影响区最大轴向应力，对筒壁形貌进行参数优化，得到非等厚壁面叉形环应力扩散结构。

说明书

一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构及其设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于航空航天贮箱技术领域，提供运载火箭贮箱上的非等厚壁面叉形环应力扩散结构及其设计方法。

背景技术

[0002] 叉形环也称过渡环，是航天箭体结构中一类关键的传力结构，连接着运载火箭燃料贮箱箱底、直筒段和前后短壳。在轴压、弯矩和内压的联合作用下，受力状态极为复杂。焊缝区域是火箭贮箱叉形环等连接结构设计的危险区域。对焊缝强度计算，传统结构设计一般采用工程算法。工程算法认为，贮箱为薄壁壳体，焊缝应力基本为膜应力，焊缝破坏是由于垂直于焊缝方向的轴向应力超过了材料的强度极限。运载火箭设计部门进行了大量的大型薄壁箱体焊接结构实验，发现以工程算法给出的设计结果一般都能够满足设计载荷要求。因此，一直以来认为贮箱强度计算采用的工程算法是非常成熟的。然而，2012年6月，CZ-5运载火箭研制过程中，基于工程算法设计的芯二级氢箱低温静力地面实验中，在未达到设计压力情况下，箱体焊缝出现长约300mm的裂纹，暴露了基于工程算法给出的传统叉形环结构构型的不足。

[0003] 通过对CZ-5运载火箭芯二级氢箱的分析发现，由于二级氢箱内压梯度很大，其前底内压远小于后底，从而对于贮箱叉形环焊缝，除了膜应力外还存在造成很大的弯曲应力，弯曲应力和膜应力叠加后形成很高的单侧应力。造成这一结果的原因在于叉形环连接三个工作环境大相径庭的构件，在结构受力形式较为复杂的情况下，原叉形环设计未考虑该结构与其临近连接结构间的刚度匹配问题，应力传递路线不合理，导致由边界扩散而来的应力流无法均匀地经由叉形环传导至贮箱筒壁，最终造成贮箱结构在其过渡段焊缝区域内外壁应力差巨大。

[0004] 因此，基于叉形环，亟需开展面向大直径运载火箭贮箱过渡化的结构设计。

发明内容

[0005] 针对大直径叉形环的临近结构刚度匹配以及最优传力路径等结构特殊精细化设计需求，本发明提供一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构，解决其原始焊缝设计缺陷问题。

[0006] 为了达到上述目的，本发明技术方案为：

[0007] 一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构，所述的叉形环应力扩散结构是轴对称结构，结构主要特征体现于结构的截面构型，采用双面应力均化方法确定截面厚度的结构参数。所述的叉形环应力扩散结构的截面构型主要包括三个区域：叉形环过渡区、焊缝热影响区、筒段区域。

[0008] 所述的叉形环过渡区外侧表面竖直且光滑，内侧表面呈弧形且光滑。所述的焊缝热影响区外侧表面竖直且变厚度，内侧表面竖直且变厚度。所述的筒壳区域外侧表面竖直且变厚度，内侧表面竖直且变厚度。

[0009] 一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构的设计方法，包括以下步骤：

[0010] 采用双面应力均化方法确定所叉形环过渡区、焊缝热影响区和筒壳区域的内外侧表面参数，即扩散结构截面厚度的结构参数：采用参数优化和形状优化的协同优化策略对非等厚壁面叉形环应力扩散结构进行设计，该协同优化策略可达到同时减小焊缝及焊缝热影响区的轴向应力梯度与最大值的目的，筒段沿壁厚方向优化空间较小且考虑到工艺的易实现性，具体为：

[0011] 进行形状优化设计，使焊缝及热影响区轴向应力差水平降低，具体为：以叉形环体内侧壁面节点坐标为设计变量，以最小化焊缝及热影响区最大轴向应力为目标，约束叉形环体最大应力水平，对叉形环过渡区内表面进行形状优化。所述的形状优化设计使焊缝及热影响区内外壁轴向应力的等应力点移动到焊缝处应力降低水平显著。

[0012] 再进行参数优化设计，使焊缝及热影响区轴向应力曲线尽可能平缓，具体为：以控制筒段厚度参数为设计变量，以焊缝及热影响区内壁轴向应力差最小为目标，约束焊缝及热影响区最大轴向应力，对筒壁形貌进行参数优化，得到非等厚壁面叉形环应力扩散结构。

[0013] 所述的叉形环应力扩散结构材料，即叉形环应力扩散结构选用可焊性好的高强铝合金板材，为提高强度，板材做预拉伸处理。壁板整体机械铣切后滚弯；机铣小圆角减少结构废重。

[0014] 本发明的有益效果为：本发明优化后焊接区轴向应力非常均匀，接近纯轴拉受力状态，贮箱的承载能力相较传统设计方案大幅提高。解决了其原始焊缝设计缺陷问题，创造性解决了“大直径叉形环－异态环焊缝－大径厚比筒壁”新型复合结构变形协调与应力有效扩散难题，实现了大直径运载火箭贮箱叉形环结构的结构设计。

附图说明

[0015] 图1为一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构示意图；

[0016] 图2为一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构截面示意图；

[0017] 图3为协同优化流程图；

[0018] 图4为焊缝及热影响区应力水平图。

[0019] 图中：1叉形环过渡区；2、焊缝热影响区、3筒段区域；4焊缝；t1、t2、t3、t4、t5、t6为参数优化设计中筒段消去的厚度。

具体实施方式

[0020] 以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

[0021] 一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构，所述的叉形环应力扩散结构是轴对称结构，结构主要特征体现于结构的截面构型，采用双面应力均化方法确定截面厚度的结构参数。所述的叉形环应力扩散结构的截面构型主要包括三个区域：叉形环过渡区1、焊缝热影响区2、筒段区域3，焊缝4位于焊缝热影响区2。所述的叉形环过渡区1外侧表面竖直且光滑，内侧表面呈弧形且光滑。所述的焊缝热影响区2外侧表面竖直且变厚度，内侧表面竖直且变厚度。所述的筒壳区域3外侧表面竖直且变厚度，内侧表面竖直且变厚度。所述的叉形环过渡区1、焊缝热影响区2和筒壳区域3的内外侧表面参数均根据设计需求和优化结果确定。

[0022] 本发明针对贮箱的传统方案进行精细有限元分析，构建参数优化与形状优化的协同优化流程，开展了一种非等厚壁面叉形环应力扩散结构的优化设计。

[0023] 所述的形状优化设计，以叉形环过渡区内壁面节点坐标为设计变量，以最小化焊缝及热影响区最大轴向应力为目标，约束叉形环形环Mises应力，开展形状优化设计。所述的形状优化设计如图2所示。所述的形状优化设计使得，焊缝及热影响区内外壁轴向应力的等应力点移动到焊缝处，且最大轴向应力下降了46.2MPa，内外壁的应力差由214.7MPa降为115.1MPa，应力降低水平显著。

[0024] 所述的参数优化设计，以筒段消去厚度为设计变量(如图3所示，t1、t2、t3、t4、t5、t6为参数优化设计中筒段消去的厚度)，以焊缝及热影响区内壁轴向应力差最小为目标，约束焊缝及热影响区最大轴向应力。所述的参数优化设计如图4所示。所述的参数优化设计使得最大轴向应力为82.6MPa，内外壁应力差仅为9.6MPa，该设计消除了刚度效应给焊缝及热影响区带来的附加弯矩，解决了“大直径叉形环－异态环焊缝－大径厚比筒壁”新型复合结构变形协调与应力有效扩散难题。

[0025] 以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。