發(fā)布時間：2020-05-09 10:35

【摘要】：薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)是運載火箭主承力柱殼中一類特殊的結(jié)構(gòu)形式,其剛度不連續(xù)的結(jié)構(gòu)特性引起削弱槽尖端應(yīng)力集中,極大地影響結(jié)構(gòu)承載能力。因此對該類局部易損薄壁柱殼的研究分析對彈箭體的強度設(shè)計和減重優(yōu)化具有重要意義。然而,一方面,該類薄壁結(jié)構(gòu)的剛度不連續(xù)特性導(dǎo)致其承載規(guī)律復(fù)雜,削弱槽尖端應(yīng)力集中的分析預(yù)測和優(yōu)化設(shè)計具有一定困難,極大增加了彈箭體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與減重優(yōu)化難度;另一方面,由于削弱槽結(jié)構(gòu)尺寸過小且多為復(fù)雜曲面,現(xiàn)有測量技術(shù)無法精確的獲得削弱槽尖端的應(yīng)力集中程度,從而無法將結(jié)構(gòu)的理論分析結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行比較,制約了薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)強度分析及優(yōu)化設(shè)計的進一步發(fā)展。因此,在目前航天結(jié)構(gòu)大直徑和大徑厚比設(shè)計發(fā)展趨勢下,迫切需要建立一套面向薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中預(yù)測手段和優(yōu)化設(shè)計方法,實現(xiàn)對高性能主承力結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計。此外,亟需發(fā)展一種可靠的削弱槽尖端應(yīng)力集中測量方法,實現(xiàn)對薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)在部段級/系統(tǒng)級實驗中尖端應(yīng)力的全場實時測量,為該類結(jié)構(gòu)的強度實驗提供測量技術(shù)支撐。本文以薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)為研究對象,首先建立一種高效解析方法,以實現(xiàn)對削弱槽尖端應(yīng)力在彈性和塑性階段的快速預(yù)測;同時發(fā)展一種普適性的尖端應(yīng)力測量方法,實現(xiàn)對削弱槽尖端應(yīng)力的實時測量。此外,圍繞運載火箭級間線式分離環(huán)這一典型薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)的軸向承載/徑向易損設(shè)計矛盾,提出一種凸臺式線式分離環(huán)創(chuàng)新構(gòu)型,該構(gòu)型可在增強結(jié)構(gòu)原有徑向易損性能的同時,通過優(yōu)化設(shè)計獲得更高的軸向承載能力。為實現(xiàn)上述研究目的,本文主要進行了以下幾方面研究:在線彈性范圍內(nèi)的薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)理論研究中,以環(huán)向削弱槽柱殼結(jié)構(gòu)為代表,基于槽應(yīng)力理論討論了開槽結(jié)構(gòu)的彈性力學(xué)基本方程,并進行了尖端應(yīng)力狀態(tài)分析�；谏鲜鼋馕龇治龇椒�,考慮結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境中的非對稱載荷邊界條件,給出了薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)在偏心拉伸載荷下的應(yīng)力集中系數(shù)解析表達式。進一步研究發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)在偏心載荷作用下的零應(yīng)力集中現(xiàn)象,對高承載薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)設(shè)計具有指導(dǎo)意義。面向?qū)嶋H工程應(yīng)用,給出了薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)零應(yīng)力集中近似設(shè)計準則。在塑性范圍內(nèi)的薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)理論研究中,針對現(xiàn)有理論方法在集中應(yīng)力分析中的高復(fù)雜性和高耗時的問題,提出了一種尖端塑性集中應(yīng)力快速解析計算方法,并使用精細有限元模型對該解析方法進行數(shù)值驗證。數(shù)值驗證結(jié)果表明,本文建立的快速解析預(yù)測結(jié)果在彈性和塑性范圍內(nèi)均與精細有限元預(yù)測結(jié)果相吻合,證明本文提出的尖端塑性應(yīng)力解析方法的有效性和適用性。針對缺乏薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)尖端應(yīng)力測量技術(shù)的問題,本文提出了一種削弱槽尖端應(yīng)力的間接測量方法:基于削弱槽鄰域的可測量應(yīng)力,建立其與尖端應(yīng)力在彈性和塑性階段的定量解析關(guān)系,從而實現(xiàn)削弱槽尖端應(yīng)力的實驗測量。精細有限元計算結(jié)果驗證了該方法的有效性。為進一步驗證該方法在實驗環(huán)境下的正確性和適用性,以DIC光測結(jié)果為基準,進行了一系列單片級削弱槽試件的準靜態(tài)拉伸實驗。實驗結(jié)果表明,本文提出的薄壁削弱槽尖端應(yīng)力間接測量方法可在實驗過程中準確獲得結(jié)構(gòu)尖端應(yīng)力,其測量結(jié)果與光測結(jié)果一致。圍繞線式分離環(huán)軸向承載/徑向易損強耦合性設(shè)計困難,本文提出…種凸臺式線式分離環(huán)創(chuàng)新構(gòu)型,利用結(jié)構(gòu)的偏心承載特點,優(yōu)化鄰近結(jié)構(gòu)載荷傳力路線,在保證結(jié)構(gòu)徑向易損能力的前提下提升軸向承載能力。結(jié)合數(shù)值仿真與參數(shù)優(yōu)化方法,證明了本文提出的線式分離環(huán)創(chuàng)新構(gòu)型的優(yōu)勢。此外,開展了一系原理性實驗件的準靜態(tài)拉伸實驗,并分別基于DIC測量技術(shù)和尖端應(yīng)力間接測量方法同步獲得傳統(tǒng)構(gòu)型與創(chuàng)新構(gòu)型的尖端應(yīng)力。實驗結(jié)果驗證了創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計思路的正確性。
【圖文】：

式的要求也越來越高，不同的受載情況需要不同的結(jié)構(gòu)形式去滿足，這就造成了箭體主逡逑承力柱殼呈現(xiàn)諸多剛度不連續(xù)的易損結(jié)構(gòu)形式，如削弱槽、局部開孔、釘孔等結(jié)構(gòu)形式，逡逑如圖１．１所示。剛度不連續(xù)特征通常會引起薄壁結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)逡逑整體承載能力的大幅折減，從而給相應(yīng)的薄壁結(jié)構(gòu)強度設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。因此，針對具有逡逑剛度不連續(xù)特征的薄壁結(jié)構(gòu)開展其應(yīng)力集中分析方法和測量技術(shù)研究，對大直徑重型運逡逑載火箭的設(shè)計和優(yōu)化具有重要意義。然而，，諸如削弱槽等典型剛度不連續(xù)細部結(jié)構(gòu)，其逡逑結(jié)構(gòu)形式和邊界條件通常十分復(fù)雜，導(dǎo)致薄壁結(jié)構(gòu)的承載規(guī)律不清晰，使得這類問題的逡逑解析分析和優(yōu)化設(shè)計變得相當(dāng)困難。因此，目前鮮有面向薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計方逡逑法或?qū)嶒灅藴�。逡逑ＩＬ．邐Ｌｏｃａｌ�?ｐｅｎｉｎｓｓ逡逑Ａ邐邐邋邐邐＇逡逑ｉ逡逑１１—逡逑（：ａｎｄ邋ｇｒｏｏｖｅｓ逡逑？邐邐邐１逡逑圖１．１運載火箭薄壁結(jié)構(gòu)的剛度不連續(xù)結(jié)構(gòu)特征逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ邋ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ邋ｉｎ邋ｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｉｎ邋ｌａｕｎｃｈ邋ｖｅｈｉｃｌｅｓ

即等效應(yīng)變能密度法（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ邋Ｓｔｒａｉｎ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｄｅｎｓｉｔｙ，ＥＳＥＤ）。進一步的研究表逡逑明，Ｎｅｕｂｅｒ準則和ＥＳＥＤ方法分別給出了削弱槽結(jié)構(gòu)尖端塑性應(yīng)力的理論下限和理論上逡逑限，如圖１．４所示。在１９７４年，Ｐｅｔｅｒｓｏｎ整理并匯總了彼時大多數(shù)關(guān)于削弱槽結(jié)構(gòu)特征逡逑－５－逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V414.4

【參考文獻】

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本文編號：2656013