發(fā)布時間：2020-07-22 12:20

【摘要】：整流罩作為保護有效載荷、維持彈箭體氣動外形的重要組成部分,在運載火箭及大部分導彈(統(tǒng)稱運載器)中廣泛應(yīng)用。當運載器擺脫大氣環(huán)境干擾后,整流罩不再起作用,需要將其從運載器本體中分離出去。作為新一代大型運載火箭,CZ-5采用的整流罩尺寸規(guī)模更大,結(jié)構(gòu)形式更復雜,同時分離動力也更大。此外,隨著尺寸增大,整流罩的剛度越小,結(jié)構(gòu)的變形對整流罩分離的影響越大。目前運載火箭整流罩的分離研究主要是面向中小型運載火箭整流罩分離的數(shù)值仿真、地面試驗和計算流體動力學分析。然而在面向大型運載火箭的整流罩時,以往的分析手段難以考慮結(jié)構(gòu)的變形對分離帶來的影響,可能造成較大誤差�；诖�,本文面向我國新一代大型運載火箭CZ-5,從以下幾個方面開展大型整流罩關(guān)鍵分離特性研究。(1)以往整流罩分離研究從未考慮鉸鏈系統(tǒng)是否失效問題,而CZ-5增大了分離動力,鉸鏈系統(tǒng)沖擊的安全性問題關(guān)系到能否成功分離,必須要考慮。傳統(tǒng)的整流罩鉸鏈系統(tǒng)沖擊模型是簡化成剛體或準靜態(tài)本構(gòu)模型,分析結(jié)果不準確。為了獲得準確的鉸鏈系統(tǒng)沖擊模型,本文首先通過沖擊壓縮試驗獲取鉸鏈系統(tǒng)的組成材料ZTC4-1和30CrMnSiA(經(jīng)熱處理和未經(jīng)熱處理)在不同加載速率下的動態(tài)力學性能,并與準靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果進行對比。試驗結(jié)果表明,鉸鏈系統(tǒng)的材料成分均為應(yīng)變率敏感材料,且不同的加工工藝會影響材料的力學性能,熱處理后材料的力學性能更佳。通過金相組織照片,解釋了材料性能隨應(yīng)變率發(fā)生變化的原因。最后采用JC模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合,建立了高應(yīng)變率下鉸鏈系統(tǒng)各材料的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系,與試驗相比,擬合效果很好,說明JC模型能很好地表征材料的動態(tài)力學行為,為鉸鏈系統(tǒng)自沖擊有限元分析提供動態(tài)本構(gòu)模型。(2)為了保證國內(nèi)首次直徑五米級大型運載火箭整流罩的安全分離,基于材料的動態(tài)力學性能試驗及其擬合結(jié)果,本文對鉸鏈系統(tǒng)的自沖擊行為進行數(shù)值仿真研究。首先,通過顯式動力學分析可得,CZ-5在分離動力作用下鉸鏈系統(tǒng)自沖擊行為呈現(xiàn)“先強后弱”的趨勢,即運動早期碰撞激烈,后期碰撞呈現(xiàn)低速平穩(wěn)狀態(tài),整個過程會使結(jié)構(gòu)進入塑性,但變形量并不大,鉸鏈系統(tǒng)仍然處于安全狀態(tài)。其次,從內(nèi)力角度分析可得,剪力和彎矩是鉸鏈擺臂銷軸在碰撞過程中的主要的內(nèi)力形式。最后,通過比較準靜態(tài)本構(gòu)和動態(tài)本構(gòu)下的計算結(jié)果,說明動態(tài)本構(gòu)模型對于整流罩解鎖問題更加準確,有利于提高預判整流罩分離成敗的準確性。(3)在保證鉸鏈系統(tǒng)自沖擊安全的情況下,進一步研究CZ-5整流罩在大型分離動力作用下的分離特性。整流罩分離的傳統(tǒng)分析方法不考慮結(jié)構(gòu)的柔性,不能直接處理大規(guī)模的殼體運動,因此本文首先基于Lanczos方法對CZ-5整流罩進行模態(tài)分析及振型提取,分析結(jié)果表明CZ-5整流罩柔性較大,在分析整流罩分離特性時需要考慮,否則會造成較大誤差。在建立準確的CZ-5整流罩有限元模型基礎(chǔ)上,通過顯式動力學分析進行整流罩的分離過程模擬仿真,結(jié)果表明整流罩在分離動力作用下能夠成功分離,但分離過程中發(fā)生了較大的呼吸變形,最大收縮變形量接近了整流罩的包絡(luò)空間上限。為了保證分離安全性,本文提出了一種含導向孔和載荷支架的彈簧組件新結(jié)構(gòu),對呼吸變形進行抑制。該結(jié)構(gòu)通過彈簧頂桿與導向孔、載荷支架相互接觸,達到局部剛度強化的目的,從而保證整流罩分離過程的呼吸變形在許可范圍內(nèi),最后通過試驗驗證了新結(jié)構(gòu)在控制整流罩呼吸變形方面的作用效果。(4)針對CZ-5大型整流罩地面分離試驗的流固耦合問題進行了研究。對于整流罩地面分離這種大范圍運動的流固耦合問題,流固耦合接觸面時刻發(fā)生變化,傳統(tǒng)的計算流體動力學(CFD)方法需要固定的流固耦合接觸面,通常以迭代方式對流固耦合問題解耦,計算量大且精度不高。因此本文基于耦合歐拉拉格朗日法(CEL)對整流罩地面分離試驗進行分析,將固體問題和流體問題同時求解。計算過程中采用彈簧能量折減法提出一個高效等效分析模型,該模型可以保證精度和效率相對平衡,由分析得到整流罩分離過程中的流場變化特性,并獲得了 CZ-5大型分離試驗的驗證。綜上,本文面向我國新一代大型運載火箭CZ-5,開展了大型整流罩關(guān)鍵分離特性研究,提出的分析方法均獲得地面試驗的驗證,突破了大型整流罩設(shè)計、分析的瓶頸,解決了彈性整流罩在飛行過程中的呼吸變形預示及地面分離過程中的流固耦合分析難題,相關(guān)分析方法和流程已寫入我國航天行業(yè)設(shè)計標準,對提高整流罩分離系統(tǒng)設(shè)計能力,提升整流罩分離特性預示精度均有重要作用。研究成果得到中國航天一院新一代運載火箭型號辦公室的充分肯定:“關(guān)鍵分離參數(shù)與實測值誤差在10%以內(nèi),對我國火箭整流罩設(shè)計意義重大”。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V475.1
【圖文】：

位于箭體的頂部；’但當運載火箭飛出大氣層后（軌道高度一般大于１１０ｋｍ），整流逡逑罩對氣動外形的維持作用和對有效載荷的保護任務(wù)均已完成，則需要進行拋罩工作，目逡逑的是為了減輕火箭的飛行負荷，也為了給有效載荷提供合適的工作空間，如圖１．１所示。逡逑如果拋罩不及時，不僅可能會造成有效載荷的損壞，甚至有可能造成更嚴重的后果。２００９逡逑－１邋－逡逑

大連理工大學博士學位論文理）和ＺＴＣ４－１鈦合金三種材料制備相應(yīng)的試驗樣件；然后通過ＳＨＰＢ試驗上述三種材料的試件進行試驗，獲得各種材料不同應(yīng)變率下的的真實應(yīng)力－，并與準靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果對比，結(jié)合掃描電鏡技術(shù)觀察其微觀組織，研宄了流變行為，對其應(yīng)變率效應(yīng)進行了分析；最后基于Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｃｏｏｋ模型建立這三種材料的動態(tài)力學行為的本構(gòu)模型，為后續(xù)整流罩鉸鏈系統(tǒng)的撞擊問題提供了基本材料性能數(shù)據(jù)。逡逑動態(tài)力學性能測試試驗裝置及原理逡逑試驗所用裝置為分罔式邋Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ邋壓桿（Ｓｐｌｉｔ邋Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ邋Ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋Ｂａｒ－ＳＨＰＢ）術(shù)通過測定壓桿上的應(yīng)變來推導試樣材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，進而測定材料在率范圍的動態(tài)應(yīng)力－應(yīng)變行為。該方法目前己經(jīng)成為研[偛牧隙ρ閱埽Ρ瀆氏露ρ閱蘢罨鏡氖笛櫸椒ㄖ�。辶x

本文編號：2765809