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大直径薄壁箱体结构力学分析与精细优化设计

赵亮  
【摘要】:我国目前正在研制新一代运载火箭贮箱结构,未来还将研制重型运载火箭贮箱结构。随着结构尺度不断增加,结构尺寸效应更加明显,轻量化要求更高,传统的设计思路和方法已不能满足要求,在结构设计中需要更精细化的设计思路和量化控制手段。本文对大直径贮箱典型结构开展力学性能分析与优化设计,具体内容如下:1.针对某大直径贮箱Y形过渡环进行强度分析与精细优化设计。首先探讨过渡环与筒段焊缝连接处内外侧应力差过大的原因,然后研究Y形环和筒段形貌对焊缝及热影响区应力分布的影响规律。最后基于参数优化和形状优化的协同优化策略,利用ISIGHT多学科优化软件集成有限元分析软件ABAQUS搭建优化平台,基于该平台的最终优化结果可以有效地改善Y形环和筒段焊缝连接处的应力水平,提高贮箱的承载能力。2.针对大直径贮箱三心底的应力状态和内压稳定性进行研究。首先通过理论分析、有限元计算和试验测试探讨三心底的应力变化规律,并验证边缘应力是过渡区应力波动的主要原因。根据边缘应力的性质和特点,提出有效抑制边缘应力的具体措施。最后基于有限元分析软件ABAQUS,对受内压三心底进行弹、塑性屈曲分析,讨论屈曲行为对几何参数的敏感性,结果显示屈曲载荷和屈曲形态对几何参数比较敏感。3.针对大直径贮箱椭球底模数和内压稳定性进行研究。首先从理论上分析模数对椭球底应力、贮箱承载能力、箭体长度、贮箱重量及箱底与短壳间空间的影响规律。然后探讨筒段边界对椭球底屈曲载荷和临界屈曲模数的影响,结果显示筒段边界对椭球底内压屈曲行为存在抑制作用,筒段边界的存在导致箱底临界屈曲载荷较理论值偏大。最后研究典型椭球底结构对不同类型缺陷的敏感性规律,研究结果可为大直径贮箱椭球底内压屈曲折减因子的选取提供参考。4.针对大直径环形液氧贮箱进行力学性能分析与精细优化设计。对环形贮箱开展考虑稳定性约束的轻量化设计,基于拓扑优化技术获得内隔板最优传力路径,最终获得工程上可用的设计方案。


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