航天管路系统网套金属软管试验研究与数值计算

针对广泛应用于航天管路系统中的金属软管静力学特性,使用试验方法和有限元仿真方法对其进行研究。对软管进行了无内压和内压0.5 MPa状态下的轴向拉压刚度试验、横向弯曲刚度试验,试验结果表明,金属软管轴向拉压刚度、横向弯曲刚度具有非线性特性,且其力学特性与内压状态有关。根据软管中网套的非线性轴向力-位移关系,在有限元仿真软件中建立了一种基于非线性弹簧系统的等效模型。数值结果表明,该模型中的分配系数Ca取0.95时,仿真结果与试验结果一致性较好。该模型能够有效复现金属软管静力学变形的非线性特性,为进一步静动力学分析提供参考。

基于多层级有限元方法的钢丝网套轴向刚度研究

航天增压输送管路中广泛应用的钢丝网套具有复杂的非线性力学特性,本文研究了其轴向力学行为机理和仿真建模方法。利用多股并排管状编织结构建模方法建立了网套三维几何模型,基于周期性理论建立了网套细观尺度的柱面编织单胞模型。使用单胞模型对网套内部无/有芯轴两种边界下的轴向拉伸工况进行了仿真模拟计算,结果表明两种边界条件下的网套轴向刚度差异极大。在文中,还提出了网套简化分析螺旋梁模型,对比了螺旋梁模型和单胞模型的结果差异,基于刚度等效原则提出了螺旋梁模型的修正方法。仿真算例表明,经过修正后的螺旋梁模型计算得到补偿器加内压后的轴向反力和试验结果一致性较好,相比未修正的螺旋梁模型误差大大降低。螺旋梁模型和修正方法为网套补偿器进一步的力学分析提供了基础。

低温推进剂无损贮存技术试验研究进展

液氢/液氧等低温推进剂,由于其高性能优势被作为深空探索使用推进剂,但低温推进剂长时间在轨应用,主要受限于低沸点的推进剂受热蒸发所带来的贮箱压力控制和蒸发损失等一系列问题,需要发展低温推进剂无损贮存技术来解决。文章介绍了应用低温制冷机结合换热技术实现贮箱内低温推进剂无损贮存的试验情况,总结其发展趋势和展望。

智能技术在火箭管路系统研制中的应用研究

管路系统在火箭中布局在狭小空间内,不仅规格种类和数量多,且安装位置和安装接口极其复杂多样,给管路的敷设、制造和装配都带来相当的难度。近年来,国内外与智能技术相关的信息、计算机软硬件、控制和传感器等技术的飞速发展,为火箭管路系统的设计、制造以及高效率装配等提供了坚实的理论基础和技术保障。从国内外火箭管路系统在智能布局、智能制造和智能装配等方面入手,研究了智能技术在火箭管路系统工程应用的现实和前景。

金属软管轴向静刚度特性试验研究

针对目前对航天管路系统金属软管静刚度特性认识有限的问题,对金属软管开展了轴向刚度试验研究。通过设计轴向刚度试验,考虑了无内压状态和充压0.5 MPa状态下的拉伸、压缩工况,获得了2种不同规格的金属软管试验件的刚度曲线。试验结果表明,软管的轴向刚度表现出了高度非线性,在低刚度阶段两试件的刚度分别为56.82 N/mm和167.13 N/mm,在高刚度阶段两试件的刚度则分别大于3724.62 N/mm和4014.14 N/mm。使用数字图像法,获取了轴向拉伸时网套的编织角变化及外径变化信息,分析了几何非线性和边界非线性因素对软管刚度的影响,提出了基于接触的金属软管非线性力学行为解释。使用有限元仿真方法,对金属软管轴向拉伸过程中的刚度非线性变化进行了复现,验证了基于接触的金属软管非线性力学行为解释的可靠性。为金属软管刚度非线性的进一步分析提供参考。

焊缝形貌对膜盒裂纹扩展的影响研究

针对平板锥形焊接膜盒,开展了膜片焊缝、T型槽焊缝、U型槽焊缝等不同焊缝形貌对膜盒裂纹扩展的影响研究。利用ABAQUS分别建立了结构有限元模型,计算了不同焊菇尺寸、裂纹角度及T(U)型槽厚度下的裂纹尖端的应力强度因子,分析了不同焊缝形貌下,复合裂纹应力强度因子大小及裂纹扩展方向并与以往试验结果进行了比较。结果表明,不同焊缝形貌下,裂纹沿着等效应力强度因子最大的方向扩展;对于膜片焊缝,当膜片焊菇尺寸变得饱满时,裂纹由穿透焊菇逐步偏向膜片区域扩展;对于T(U)型槽焊菇,裂纹均倾向于膜片区域扩展。同时,不同焊缝形貌焊菇尺寸均存在一临界值。

0Cr18Ni9不锈钢材料常低温断裂行为研究

研究了0Cr18Ni9不锈钢材料常温和77 K下的断裂性能,利用光学显微镜、电子扫描显微镜(SEM)进行断口分析。结合断口学结果,分析了温度对0Cr18Ni9不锈钢材料断裂行为的影响,结果表明0Cr18Ni9不锈钢材料稳定裂纹扩展开始时的断裂韧度工程估计值JQ在常温和77 K下分别为2 116.1 k J/m2、160.0 k J/m2,实际的起裂韧度值Ji在常温和77 K下分别为325.3 k J/m2、43.1k J/m2。

基于数字散斑相关技术与有限元仿真相结合方法研究0Cr18Ni9不锈钢的断裂行为

依据GB/T 21143-2014,对0Cr18Ni9不锈钢板紧凑拉伸试样进行了断裂试验,结合扫描电镜(SEM)观察其钝化线,采用数字散斑相关技术和有限元仿真相结合的方法得到了裂纹区域的应变和应力场。结果表明:0Cr18Ni9不锈钢钝化线斜率约为GB/T 21143-2014推荐经验钝化线斜率的2倍;该材料呈现出高韧性断裂特征,试样在发生较大范围屈服时,裂纹才明显张开,试样启裂时,韧带区域已全面屈服;断裂力学有限元仿真验证了数字散斑相关技术的适用性,数字散斑相关技术能够比较准确地表征裂尖"奇异区"外的结构应变场。

天地差异性对低温保险阀压力点影响研究

针对低温保险阀飞行工况相比地面试验工况附加压力偏高0.02~0.03 MPa的现象,通过开展低温保险阀出口管路的流场仿真,提出了保险阀出口管路中的超音速流动及激波现象;在此基础上,通过连通管感知压力对保险阀压力点影响的定量分析及低温保险阀的天地差异性分析,认为低温保险阀压力点对连通管感知压力异常敏感,并当保险阀打开后,连通管感知出口管路中的气体压力,将使得保险阀压力点发生上漂/下漂;对于飞行工况,仿真结果表明,飞行工况连通管感知压力约0.02 MPa,使保险阀压力点发生上漂0.02 MPa,有效解释了多个型号低温保险阀飞行工况中附加压力偏高的现象。

基于DIC的塑性诱导疲劳裂纹闭合行为研究

预测变幅载荷作用下的结构寿命,需研究材料的疲劳裂纹闭合效应,确定材料疲劳扩展时张开载荷的变化规律。针对箭体管路结构中常用的0Cr18Ni9不锈钢,通过数字图像相关技术测试2 mm厚0Cr18Ni9不锈钢板疲劳裂纹扩展时的张开载荷,获得张开载荷随裂纹长度、最大应力强度因子的变化关系;初步得到考虑塑性诱发裂纹闭合效应修正的Paris公式,为其在变幅载荷谱下的裂纹扩展行为预测奠定基础。

贮箱及输送管路流场空化发展机理研究

基于Pumplinx仿真分析软件开展了非稳态两相流仿真模拟分析,针对贮箱及下游输送管路,研究空化现象发展机理,并给出了试验验证。结果表明,贮箱出口边界流量增大后输送管内各截面会依次发生空化,截面压力降低至饱和蒸气压。空化现象根据空化程度不同,可以分为局部微量空化和深度空化两种状态,不同状态下空化发展过程不同。在微量空化状态下,空化区域存在于出流口局部,不会向下游发展;在深度空化状态下,空化区域不断发展,贮箱出流口会发生限流,空化夹气逐步发展至出口,从而不满足发动机入口要求。

应力比对不锈钢焊接接头疲劳寿命的影响研究

针对0Cr18Ni9不锈钢薄板焊接接头,开展了高周疲劳性能测试,研究了应力比对其疲劳极限和疲劳寿命S-N曲线的影响。结果表明应力比对疲劳寿命有较大的影响,在最大应力一定的情况下,应力比越大其疲劳寿命越大。基于试验结果,得到了反映应力比影响的0Cr18Ni9不锈钢薄板焊接接头Goodman修正和Walker修正的高周疲劳寿命预测模型。模型的预估寿命和试验数据对比表明,Walker修正模型对疲劳寿命的预测结果全部处于1.0倍分散带以内,其更能反映应力比对0Cr18Ni9不锈钢薄板焊接接头疲劳寿命的影响。

液氢保险活门膜片破裂故障分析及改进设计

针对某型号液氢保险活门试验过程中膜片破裂故障,从膜片厚度、设计裕度等方面进行研究与分析。通过有限元仿真方法找出了设计薄弱环节,并进行膜片厚度改进优化,以提高膜片疲劳寿命。通过膜片寿命试验及整阀性能试验,验证了改进后的膜片寿命得到大幅提高,且液氢保险活门性能满足要求。本文研究结果对膜片等敏感元件的动强度及疲劳寿命设计及验证具有一定的参考价值。

0Cr18Ni9不锈钢材料断裂韧度的实验研究和数值分析

从实验研究和数值分析两方面研究了0Cr18Ni9不锈钢材料的断裂韧度。首先,通过单轴拉伸测试得到0Cr18Ni9不锈钢材料的应力-应变曲线,并验证了该应力-应变曲线符合Ramberg—Osgood弹塑性本构模型,利用全局优化算法反演得到其弹塑性本构参数。然后,结合声发射技术和扫描电镜断口观察,确定了0Cr18Ni9不锈钢紧凑拉伸试样的起裂载荷和I型裂纹实际的起裂断裂韧度。进一步,根据数字图像相关方法得到的全场变形计算了J积分,J积分随时间逐渐增大;最后,采用有限元法计算了起裂时沿裂纹前缘各处的J积分分布,发现,积分呈现中间较大、表面较小的分布特征,而且有限元计算的J积分平均值与从光学位移场数据计算的J积分接近。

保险阀膜盒疲劳断裂分析及结构改进

应用疲劳分析理论以及有限元失效分析方法,对保险阀膜盒疲劳断裂问题进行机理分析,结果表明振动环境下膜盒受双向弯曲应力影响,膜盒内焊缝存在明显的应力集中,容易发生疲劳破坏。依据分析结果对膜盒采取了增大初始压缩量的改进措施,对改进结构保险阀膜盒进行振动疲劳寿命测试,试验结果表明改进结构膜盒疲劳寿命提高了3倍以上,试验结果也验证了分析方法的正确性和可靠性。

0Cr18Ni9不锈钢板启裂韧度的测定

参考GB/T 21143-2014多试样法设计试验,采用钝化线法和钝化区宽度法测定了0Cr18Ni9不锈钢板的启裂韧度Ji,并利用声发射技术对试验过程进行了监测。结果表明:与钝化线法相比,利用钝化区宽度法测定的0Cr18Ni9不锈钢板材启裂韧度Ji更接近真实值。根据声发射测试结果分析了不锈钢板的断裂过程,并结合钝化区宽度法确定其启裂韧度Ji=351.77kJ·m-2。

保险阀连通管疲劳断裂分析及结构改进

应用疲劳分析理论以及有限元失效分析方法,对保险阀疲劳断裂问题进行机理分析,结果表明振动环境下连通管受双向弯曲应力影响,连通管焊接根部存在明显的应力集中,容易发生疲劳破坏。依据分析结果对连通管采取了支架/卡箍固定并改善连通管走向的改进措施,对改进结构保险阀连通管进行微应变及振动疲劳寿命测试,试验结果表明改进结构改善了连通管应力分布,连通管疲劳寿命提高了3倍以上。试验结果也验证了分析方法的正确性和可靠性,本文分析及试验方法对结构件动强度及疲劳寿命的设计和验证具有一定的参考价值。

氢氧发动机非均匀圆孔头部气膜冷却数值模拟

氢氧火箭发动机燃烧室壁面热环境十分恶劣,头部气膜冷却是主要辅助冷却手段之一,圆孔头部气膜冷却是重要的设计方案。对圆孔型头部气膜进行了三维数值仿真研究,考虑推力室外部再生冷却的影响,通过全面数值实验分析了气膜流量占比、气膜孔直径和相邻气膜孔面积比等参数的影响,提出一种非均匀分布的圆孔头部气膜冷却方案。结果表明,在氢氧火箭发动机圆孔头部气膜冷却中,存在一个最佳吹风比使得头部区域冷却效果最好,最佳吹风比的值由气膜流量占比和气膜孔直径共同决定,最佳吹风比介于5.454~5.849之间;通过合理的非均匀圆孔气膜结构设计,控制相邻气膜孔面积比在0.6~0.8范围内,采用提出的非均匀气膜孔方案有利于提高燃烧室的整体性能。

平板锥形膜盒应力强度因子计算

基于梁理论和薄板理论分别建立了平板锥形焊接膜盒的理论计算模型,推导了膜片焊菇处裂纹尖端的应力强度因子在轴向外载和压力下的计算公式。为评估理论计算公式的准确性,基于ABAQUS的围线积分方法计算了裂纹尖端的应力强度因子。结果表明薄板模型的应力强度因子计算结果与有限元解吻合更好,误差在10%以内。

奥氏体不锈钢低温热导率计算方法及验证

不锈钢在低温系统中应用广泛,但各种牌号的不锈钢材料在低温区间的热导率测试数据却很少。文献推荐的计算纯铁低温热导率的经验公式并不适用于不锈钢。在文献公式的基础上,提出了一种针对奥氏体不锈钢材料的低温热导率计算方法,可基于4K^20K温度区间内电阻率或热导率的单点测试数据,估算4K^300K温度区间的热导率,也可根据室温电阻率或热导率的测试数据,但计算精度比前者略低。计算方法通过了美标304、316、317、321牌号不锈钢实测数据的验证。基于该计算方法建立了奥氏体不锈钢低温热导率计算程序,估算了国产牌号1Cr18Ni9Ti不锈钢4~300K温度区间的热导率,并与文献中的测试数据进行了对比验证,相对计算误差能够满足工程设计需要。