一种具有大集中力、一体化扩散结构的贮箱制造技术

一种具有大集中力、一体化扩散结构的贮箱，该该贮箱包括波浪分布放射式短壳、加筋抗弯Y型环和三角形网格放射式筒段。波浪分布放射式短壳的波浪型基座中部为中间凹陷、两侧凸起的波形结构，两侧为常规弧形基座；各放射斜肋在集中力作用方向的分力相等；梯形过渡环肋位于放射斜肋和均匀网格的过渡区域；均匀网格位于放射肋区域两侧。加筋抗弯Y型环外表面设置多个加筋网格，Y型环内表面增设弧形抗弯槽。三角形网格放射筒段由4块完全相同的放射式三角形网格壁板焊接而成。本发明专利技术能够有效降低集中载荷作用线上的压应力，通过各结构匹配协调，逐级扩散，削弱集中载荷对内压薄壁氧箱的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是液体运载火箭低温贮箱薄壁结构，特别是针对承受千吨级捆绑集中力和轴内压载荷耦合作用、对扩散效率有特殊要求而设计的结构，属于航空航天贮箱

技术介绍
薄壁贮箱作为运载火箭的主体结构，除承受内压外，还传递火箭的各种飞行载荷。对于大推力捆绑式火箭，芯级箭体在捆绑点附近承受巨大的集中载荷，量级达到千吨级，且载荷作用点和芯级壳壁存在一定偏心，使得芯级壳体承受较大的附加弯矩。同时，芯级薄壁贮箱自身还承受内压，轴压、弯矩、剪力等载荷，如不采取合理的扩散措施，筒段处将产生较高的轴向压缩应力，此应力状态可能会导致薄壁结构提前屈曲，贮箱破坏。因此，在捆绑连接区域和贮箱箱体上必须设计特定的结构件来扩散所需传递的集中载荷，均匀化结构应力，削弱集中载荷对薄壁焊接贮箱的恶劣影响。贮箱目前所使用的传统放射结构，以扩散100吨级的小集中载荷为目的，短壳结构以均匀网格加筋为主，仅在靠近捆绑集中力的局部区域布置扇状放射斜肋和扩散接头来达到扩散效果。在短壳和箱筒段过渡区采用传统连接环，由于所承受的集中载荷较小，由集中力扩散不均匀带来的附加应力也较小，箱体筒段的结构应力还在线弹性范围内，贮箱筒段一般为光壳结构。但对承受千吨级集中载荷的薄壁贮箱来说，箱体结构的扩散效率至少达到70％以上，才能保证结构不发生屈曲，而传统的扩散效率仅20％，无法满足使用要求。传统结构还存在如下缺点：(1)扩散接头结构厚重，锻件内部缺陷较多；为保证对接的平面度，在与短壳壁板铆接时还需配置特殊的工装；(2)大部分的集中力还是由中间肋承受，放射肋的扩散效率(即截面内应力的均匀程度)差，仅10％左右，结构易进入塑性而提前失效；(3)传统连接环整体刚度大，在贮箱加注低温推进剂并承受内压作用时，对向外膨胀箱筒段产生约束作用，使得两者对接焊缝处的弯曲应力增大；(4)光筒壳式箱筒段抗轴压性能较差，在集中力作用下，容易发生失稳。针对以上问题，我们对薄壁贮箱的扩散结构进行了一体化设计，优化结构和传力路径，设计出波浪分布放射式短壳、加筋抗弯Y型环、三角形网格放射式筒段、双面等应力圆环结构，经过一系列的扩散，集中力作用线上的应力水平降低，结构应力均匀化程度提高，最终集中力扩散效率达到84％。该一体化扩散结构轻质高效，具有高可靠性，能适应不同直径、不同温度、不同载荷、不同扩散要求的贮箱，其必能在贮箱主承力结构上有广泛的应用。
技术实现思路
本专利技术的要点是一种能满足大集中载荷强度要求的低温贮箱，特别是针对千吨级捆绑集中力和轴压耦合作用、对扩散效率有特殊要求而设计的结构。它能够有效降低集中载荷作用线上的压应力，通过各结构匹配协调，逐级扩散，削弱集中载荷对内压薄壁氧箱的恶劣影响。本专利技术的目的是为了公开一种扩散效率高、传力路径优化、结构轻质可靠的贮箱一体化扩散结构，以期能在贮箱主传力结构设计中占有一席之地。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种具有大集中力、一体化扩散结构的贮箱，该贮箱包括波浪分布放射式短壳1、加筋抗弯Y型环2、三角形网格放射式筒段3，所述的波浪分布放射式短壳1和三角形网格放射式筒段3通过加筋抗弯Y型环2固定连接。所述的贮箱材料为焊接性较好的高强铝合金，所述的波浪分布放射式短壳1和三角形网格放射筒段3的单个壁板整体机械铣切后滚弯，机铣小圆角减少结构废重；所述的加筋抗弯Y型环2采用整体涨环锻造后机械加工，确保锻环内部材料性能的均匀稳定。本专利技术采用整箱焊接，调整波浪分布放射式短壳1、加筋抗弯Y型环2、三角形网格放射式筒段3的周长相匹配，将加筋抗弯Y型环2与箱底焊接组成箱体组合件，然后与波浪分布放射式短壳1焊接。所述的波浪分布放射式短壳1为圆形，由四块完全相同的弧形的波浪分布放射式短壳壁板焊接而成,包括波浪型基座4、放射斜肋5、梯形过渡环肋6、均匀网格7；所述的放射斜肋5形成放射肋区域；所述的均匀网格7形成均匀网格区域。所述的短壳壁板材料，即贮箱短壳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。所述的波浪型基座4中部按照捆绑载荷传力方向，以结构应力最小，重量最轻为目标，采用拓扑优化方法得到中间凹陷、两侧凸起的波形结构，有利于将捆绑作用线上的集中载荷逐渐引向刚度较大的波峰区域，直肋刚度小，所分担的应力也变小，载荷主要由两侧斜肋承担，波浪型基座的波形根据实际情况确定。所述的波浪型基座4两侧为常规的弧形基座。所述的放射斜肋5包括多个放射斜肋，放射肋的个数由实际情况确定，各放射斜肋的汇交点位于波浪分布放射式短壳1外，提高放射结构的结构效率；每根放射斜肋的角度、截面大小、宽度、数量和分布根据扩散需求和贮箱短壳的临界承载能力确定，能够适应不同直径、不同载荷、不同扩散要求的波浪分布放射式短壳1。放射斜肋5的横截面积远大于壁板蒙皮的横截面积，用于将贮箱短壳简化为集中一点的杆系结构，当计算贮箱短壳承载能力时，忽略蒙皮的承载能力。集中力作用在放射肋区域的中部，扩散范围为集中力中心线±30°，各放射斜肋5在集中力作用方向的分力相等。问题简化为集中一点杆系的超静定问题，联合受力平衡方程和变形协调平衡方程求解出每根肋的剖面积和放射角度。通过调整每根放射斜肋5的宽度，迭代计算短壳结构的临界承载能力，优化斜肋的放射角度，降低短壳结构中的应力峰值，使得应力分布均匀化。增加肋条宽度会降低结构的应力水平，但同时结构重量增大；减小肋条宽度会增大结构的应力水平，结构容易发生失稳；为得到扩散效率高、可靠性高的结构，需要多轮迭代计算确定最终参数。所述的梯形过渡环肋6位于放射斜肋5和均匀网格7的过渡区域，用于缓解放射结构和均匀结构的过渡区域结构突变带来的应力集中，降低结构应力水平。考虑贮箱短壳承受箭体飞行中的均匀轴压，所述的均匀网格7位于放射肋区域两侧，用于进一步均匀化结构应力，并抵抗轴压载荷。均匀网格7形成均匀网格7区。所述的加筋抗弯Y型环2外表面设置多个加筋网格，在满足承载能力的前提下，用于减小筒段和箱底连接区域的刚度差异；所述的加筋网格由四条筋条组成，加筋网格的位置与波浪分布放射式短壳1中的均匀网格区对应；加筋网格宽度渐变，越靠近放射区，宽度越宽，用于均匀化结构应力；以箱底和筒段连接处(曲率突变处)的焊缝内外表面应力梯度最小为优化目标，利用拓扑优化方法，在Y型环内表面增加弧形抗弯槽，提高结构变形协调能力，减小由刚度和曲率突变引起的附加弯曲应力。所述的三角形网格放射筒段3由4块完全相同的放射式三角形网格壁板焊接而成，所述的三角型网格壁板具有优异的抗集中力、抗扭性能及各项同性的力学性能。同时三角形网格放射筒段具有破损－安全设计的要求，即便网格出现裂缝，压力和剪力都会被其它筋条所分担，这一点是正交网格所不具备的。三角形网格放射式筒段3的蒙皮厚度渐变，与波浪分布放射式短壳1上的放射肋区域对应，靠近放射肋辐射范围，蒙皮厚度变厚，进一步扩散集中力，减小局部结构的应力。所述的每根放射斜肋的角度、截面大小、宽度、数量和分布根据扩散需求和贮箱短壳的临界承载能力确定，能够适应不同直径、不同载荷、不同扩散要求的波浪分布放射式短壳1；所述的波浪分布放射式短壳1的波浪型基座4、加筋抗弯Y型环2的变距网格和弧形抗弯槽尺寸、三角形网格放射筒段3的网格参数、蒙皮厚度根据实际情况确定，适应不同直径、不同温度、不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有大集中力、一体化扩散结构的贮箱，其特性在于，该贮箱包括波浪分布放射式短壳(1)、加筋抗弯Y型环(2)和三角形网格放射式筒段(3)，所述的波浪分布放射式短壳(1)和三角形网格放射式筒段(3)通过加筋抗弯Y型环(2)固定连接；所述的波浪分布放射式短壳(1)由四块完全相同的弧形的波浪分布放射式短壳壁板焊接而成，包括波浪型基座(4)、放射斜肋(5)、梯形过渡环肋(6)、均匀网格(7)；所述的放射斜肋(5)形成放射肋区域；所述的均匀网格(7)形成均匀网格区域；所述的波浪型基座(4)中部为中间凹陷、两侧凸起的波形结构，波浪型基座(4)两侧为常规的弧形基座；所述的放射斜肋(5)的个数由实际情况确定，各放射斜肋(5)的汇交点位于波浪分布放射式短壳(1)外，提高放射结构的结构效率；放射斜肋(5)的横截面积大于壁板蒙皮的横截面积，用于将贮箱短壳简化为集中一点的杆系结构；集中力作用在放射肋区域的中部，集中力中心线±30°的范围为扩散范围，各放射斜肋(5)在集中力作用方向的分力相等；所述的梯形过渡环肋(6)位于放射斜肋(5)和均匀网格(7)的过渡区域；所述的均匀网格(7)位于放射肋区域两侧。所述的加筋抗弯Y型环(2)外表面设置多个加筋网格，所述的加筋网格的位置与波浪分布放射式短壳(1)中的均匀网格区对应；加筋网格宽度渐变，越靠近放射区，宽度越宽，用于均匀化结构应力；所述的Y型环内表面增设弧形抗弯槽，提高结构变形协调能力；所述的三角形网格放射筒段(3)由4块完全相同的放射式三角形网格壁板焊接而成，三角形网格放射式筒段(3)的蒙皮厚度渐变，与波浪分布放射式短壳(1)上的放射肋区域对应，靠近放射肋辐射范围，蒙皮厚度变厚。...

【技术特征摘要】
1.一种具有大集中力、一体化扩散结构的贮箱，其特性在于，该贮箱包括波浪分布放射式短壳(1)、加筋抗弯Y型环(2)和三角形网格放射式筒段(3)，所述的波浪分布放射式短壳(1)和三角形网格放射式筒段(3)通过加筋抗弯Y型环(2)固定连接；所述的波浪分布放射式短壳(1)由四块完全相同的弧形的波浪分布放射式短壳壁板焊接而成，包括波浪型基座(4)、放射斜肋(5)、梯形过渡环肋(6)、均匀网格(7)；所述的放射斜肋(5)形成放射肋区域；所述的均匀网格(7)形成均匀网格区域；所述的波浪型基座(4)中部为中间凹陷、两侧凸起的波形结构，波浪型基座(4)两侧为常规的弧形基座；所述的放射斜肋(5)的个数由实际情况确定，各放射斜肋(5)的汇交点位于波浪分布放射式短壳(1)外，提高放射结构的结构效率；放射斜肋(5)的横截面积大于壁板蒙皮的横截面积，用于将贮箱短壳简化为集中一点的杆系结构；集中力作用在放射肋区域的中部，集中力中心线±30°的范围为扩散范围，各放射斜肋(5)在集中力作用方向的分力相等；所述的梯形过渡环肋(6)位于放射斜肋(5)和均匀网格(7)的过渡区域；所述的均匀网格(7)位于放射肋区域两侧。所述的加筋抗弯Y型环(2)外表面设置多个加筋网格，所述的加筋网格的位置与波浪分布放射式短壳(1)中的均匀网格区对应；加筋网格宽度渐变，越靠近放射区，宽度越宽，用于均匀化结构应力；所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄诚，王博，吴会强，张晓颖，郭彦明，常志龙，李林生，王晓博，王爱民，胡正根，曹广龙，任明法，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21