低温贮箱新型绝热支撑结构随机振动模拟分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:史文忠

  航天器在火箭发射过程中会经历严酷的随机振动环境,支撑结构作为航天器的关键承载部件,其强度和刚度能否满足要求显得十分重要。运用有限元分析软件ansys 对低温贮箱的绝热支撑结构进行了随机振动的模拟分析,得出了支撑结构在随机激励载荷作用下的响应,响应结果表明,支撑结构的强度和刚度满足使用要求。

  引言

  航天器在发射阶段会经历噪声、正弦振动、随机振动、冲击等一系列复杂和严酷的力学环境,这些环境是诱发航天器故障的重要原因。而在所有的力学环境中,由于火箭发动机推力不稳定产生的脉动推力、跨声速气动噪声以及稳流边界层噪声等综合作用引起的随机振动环境是对航天器设备影响最为严重的力学环境之一,是航天器结构强度设计需要重点考虑的因素。振动引起的激励会通过运载火箭与航天器的连接器,逐级传递到其它的各级系统和组件结构上,有可能引起各结构损坏和失效。

  低温贮箱是航天器的关键零部件之一,当火箭发射时其会受到强烈的冲击与振动。作为重要的承载部件,低温贮箱支撑结构的强度和刚度能否满足要求对整个航天器显得十分重要。因此对支撑结构的随机振动的响应进行分析和研究是十分必要的。由于受试验成本或条件的限制,在试验之前有必要先通过有限元分析方法对支撑结构进行随机振动模拟分析。这有助于缩短研制周期、降低研制成本;并且能够验证结构能否满足力学条件以及发现结构设计中存在的不足,进而为结构的进一步优化提供依据。

  本文利用有限元分析软件Ansys对低温贮箱的新型绝热支撑结构进行随机振动的模拟分析,得出了支撑结构在给定的随机载荷激励谱下的位移与应力分布及加速度响应,并对结果进行了分析。

1、有限元模型

  低温贮箱的新型绝热支撑结构是一种通过改变热、力的传递路径来有效解决传统支撑结构传热与受力矛盾的一种杆支撑,主要用于降低低温贮箱轨阶段的热量传递,以尽可能的延长低温液体在轨贮存时间。支撑的结构如图1 所示。

低温贮箱新型绝热支撑结构随机振动模拟分析

图1 新型绝热支撑结构图

  在地面与发射阶段,支撑主要承受较大的力载荷;而在轨阶段,支撑不再受外力作用,主要承受热载荷。其工作原理为:由于冷端接触杆与接触螺母及冷端主体之间存在着微小的间隙,在地面及发射时支撑受压缩或拉伸,使得冷端接触杆与接触螺母或冷端主体接触,载荷传递路径短,因此这时支撑能承受较大的力载荷作用;而在轨时则由于支撑不受外力作用,冷端接触杆便与接触螺母或冷端主体相分离,热量沿着冷端轴承杆—冷端接触杆—在轨管—调节衬套—冷端主体—发射管—热端主体—长度调节杆—热端轴承杆的路径传递,传热路径及热阻较地面与发射阶段大大增加,因此能有效降低低温贮箱通过支撑的热量传递。支撑结构各元件的材料构成为:冷端主体、接触螺母、冷端接触杆、调节衬套、热端主体、大小卡圈选用殷钢,发射管选用S 玻璃纤维环氧树脂,在轨管选用石墨环氧树脂,轴承杆、球头轴承、长度调节杆和螺母选用奥氏体不锈钢。各材料的主要属性如表1 所列。

表1 相关材料属性

低温贮箱新型绝热支撑结构随机振动模拟分析

  运用Proe软件建立支撑结构的三维实体模型,并建立计算模型中的总体坐标系,取支撑结构的轴向为X 轴方向,轴向的垂直方向为Y 轴方向,Z 轴方向按右手定则确定。将建立的实体模型导入有限元分析软件Ansys Workbench 平台。为便于有限元分析,对实体模型的某些细节结构进行简化处理,如将螺纹连接简化为圆柱面接触,并将接触面处理为绑定接触;将小孔用实体填充。对于动力学分析而言,其对有限元模型的网格质量的要求较高,尤其对应力梯度变化较大等这些有可能引发材料甚至结构失效的重点关注的部位需要将网格划分更为细密。对支撑的实体模型采用多体划分、局部细化控制等方法划分网格,以使得网格质量达到所需要求。模型共有84 590 个单元,147 381 个节点。划分网格后的有限元模型如图2 所示。

低温贮箱新型绝热支撑结构随机振动模拟分析

图2 划分网格后的有限元模型

2、结论

  通过对新型绝热支撑结构模型进行随机振动的有限元模拟分析,分析结果表明,该结构满足动态强度和刚度要求,能够避免与主体结构发生共振,从理论上验证了结构设计的可靠性。最大应力出现在冷端支撑杆处,因此该处是后续过程需要重点关注和优化的元件。加速度响应的最大值出现在650 Hz附近,故应避免在该频率附近出现振动。条件允许的情况下,后续还应进行支撑结构随机振动试验,验证并修正有限元模型及模拟结果。

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