大型运载火箭低温复合材料贮箱设计研究进展

不同于传统铝合金焊接装配贮箱设计,复合材料贮箱设计重点是在分析其全寿命周期载荷工况下复合材料基体微裂纹萌生和损伤扩展的基础上,通过有效的设计手段防止其所盛装的低温推进剂(LOX、LH2)泄漏。本文分别对低温用树脂基复合材料及其性能、复合材料贮箱设计准则、贮箱主要部段的结构设计等方面进行了综述,并对复合材料贮箱发展前景进行了展望。

低温推进剂复合材料贮箱基体开裂预测方法

基于六边形单胞模型,构建了宏细观结构力学响应场间的关联矩阵,建立了低温推进剂复合材料贮箱结构的宏细观一体化分析方法,采用工程常用的能够预测不同失效模式的宏细观强度准则,对机械和温度载荷下复合材料层合板的基体开裂进行预测。结果表明:在机械载荷下,与试验数据相比,宏观Hashin准则、改进的宏观Tsai-Wu准则、细观最大应力准则和细观Hashin准则均具有良好的预测精度。但在温度载荷下,由于考虑了组分材料间热力学性能的不匹配,使用细观强度准则与宏观强度准则预测的结果相比具有一定差异。通过对不同载荷情况下基体开裂预测结果的分析,提出了采用细观最大应力准则作为基体开裂判据,同时结合考虑组分材料热力学性能差异影响的宏细观一体化分析方法,可以有效地对低温推进剂复合材料贮箱结构的基体开裂进行预测。

航天低温复合材料贮箱国内外研究现状分析

航天低温复合材料贮箱相比于传统的金属贮箱,减重可达20%~40%,为下一代低成本、高运载力、可回收航天器的研究开发提供了可能。通过对发展航天低温复合材料贮箱的必然性和其所具备的显著优势进行分析,从需求背景、结构参数、制造工艺等方面介绍了近30年来发达国家在该领域取得的成果以及存在的一些问题,针对这些问题提出了相应的解决方法,并对我国低温复合材料贮箱的发展与研究进行了展望。

飞行器异形复合材料贮箱设计与优化方法研究

对复杂工况下的飞行器异形复合材料贮箱进行设计是比较困难的。本文通过建立异形复合材料贮箱的有限元模型，应用准网络设计法结合有限元数值仿真，对其层合复合材料进行初步设计；分别采用自适应模拟退火算法（ASA算法）和下山单纯形算法（DS算法）对复合材料铺层进行优化设计，以使结构质量最小化。结果表明，准网络设计法结合有限元数值仿真可以较好地对复合材料铺层进行初步设计，下山单纯形算法可能使结果落入局部最优解，但计算效率较高，自适应模拟退火算法可以得到全局最优解，但是计算效率较低。．

航天低温复合材料贮箱渗漏性能研究现状

大型航天低温推进剂贮箱由"金属"到"复合材料"的更新换代已成为世界航天工业发展的主要趋势。凭借复合材料在质量和成本方面的巨大优势,大型航天低温复合材料贮箱被认为是未来火星探测、载人登月等大型航天任务的重要保障。然而,复合材料贮箱在低温服役条件下产生的渗漏现象,是其目前面临的技术瓶颈之一,严重制约复合材料贮箱全面服役。从实验研究和理论研究两个方面介绍近20年来国内外主要研究机构及团队在该领域开展的相关研究及取得的成果,在此基础上对复合材料渗漏机理进行归纳总结,进一步给出通过复合材料体系研发、铺层方式改进以及成型工艺优化等提高复合材料抗渗性的解决方案,并对未来复合材料渗漏性能的研究和发展方向进行展望。

声发射在复合材料贮箱上的应用研究进展

复合材料贮箱作为未来航天运载动力系统的关键部件,其结构的状态监测与性能评价是保证航天器安全运行的关键问题之一。声发射作为一种新型动态无损检测/监测技术为复合材料贮箱结构性能监测提供了一种行之有效的技术手段。本文以复合材料贮箱为背景,首先介绍了复合材料贮箱的失效模式及常见的健康评价技术;其次介绍了声发射检测技术的基本原理,并综述了声发射技术在复合材料贮箱损伤表征上的应用研究现状,最后讨论了声发射技术应用于复合材料贮箱的发展趋势及面临的挑战。

基于多纤维RVE和聚类分析的低温复合材料贮箱跨尺度计算

采用碳纤维增强复合材料贮箱可显著减轻运载火箭的质量,但贮箱在低温环境中机械-热载荷作用下的分析方法有待研究,尤其是要准确地考量纤维与基体间产生的细观热应力。采用包含多根纤维的代表体元模型,结合基体、纤维失效准则,建立了细观应力场及失效预测模型,并采用k-means聚类方法开展降维计算,提出了一种高效、高精度复合材料贮箱跨尺度分析方法。结果显示:该方法能够根据纤维和基体的热、力学常数准确地预测复合材料单层板的弹性常数和破坏强度;结合某贮箱模型,模拟了机械-热载荷共同作用下复合材料贮箱渗漏失效的发生过程,给出了明确的失效载荷及失效状态。

基于缠绕成型工艺的新型贮箱设计方法

为了提高运载火箭的运输效率以及降低火箭发射成本,采用复合材料贮箱代替金属贮箱是最直接、最有效的方式,本文提出一种新型无内衬复合材料贮箱的设计方案。针对某一尺寸的贮箱结构,采用平面缠绕的方法进行缠绕的线型设计,同时基于网格理论对缠绕的层数进行设计,提出贮箱筒段的缠绕方案;结合经典层合板理论,通过Tsai-Wu失效判据进行单角度强度校核保证贮箱整体结构的安全;提出上、下封头极孔处的连接结构形式以及通孔的设计过程;应用ABAQUS进行贮箱实体模型和设计内压下贮箱缠绕层、胶层和上下法兰连接结构的有限元模拟,讨论设计的贮箱结构的可行性和安全性。本文的研究工作为复合材料贮箱的成型加工提供了理论依据。

分布式光纤传感器应变读数异常的自适应后处理算法

针对分布式光纤传感器在航空航天领域应用中存在的应变读数异常现象,提出一种可检测和快速清除分布式光纤传感器应变读数异常的自适应后处理算法,以提高传感器监测精度与数据可靠性。该算法采用K均值聚类方法进行自适应定义阈值,以区分不同结构特征及不同服役环境导致的数据分布与噪声响应的差异性。在此基础上,对扭曲的应变曲线实行连续的几何偏置来消除应变读数异常。最后以航天燃料贮箱压力循环实验中采集的分布式光纤传感数据处理为例验证所提方法的有效性,使用Pearson相关系数来表征后处理曲线与无异常曲线的相关性,并与其他后处理算法进行对比。结果表明,针对2种主要类型、8种典型案例的应变异常现象,所提方法均能获得最佳的后处理结果,与无异常曲线的相关性系数不低于0.917。