[發明專利]一種具有大集中力、一體化擴散結構的貯箱

有效

• 申請號: 201610874533.1
• 申請日: 2016-10-01
• 公開（公告）號: CN106481483B
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 黃誠;王博;吳會強;張曉穎;郭彥明;常志龍;李林生;王曉博;王愛民;胡正根;曹廣龍;任明法
• 申請（專利權）人: 北京宇航系統工程研究所;大連理工大學
• 主分類號: F02K9/60
• 分類號: F02K9/60
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 梅洪玉,潘迅

技術領域

本發明涉及的是液體運載火箭低溫貯箱薄壁結構，特別是針對承受千噸級捆綁集中力和軸內壓載荷耦合作用、對擴散效率有特殊要求而設計的結構，屬于航空航天貯箱技術領域。

背景技術

薄壁貯箱作為運載火箭的主體結構，除承受內壓外，還傳遞火箭的各種飛行載荷。對于大推力捆綁式火箭，芯級箭體在捆綁點附近承受巨大的集中載荷，量級達到千噸級，且載荷作用點和芯級殼壁存在一定偏心，使得芯級殼體承受較大的附加彎矩。同時，芯級薄壁貯箱自身還承受內壓，軸壓、彎矩、剪力等載荷，如不采取合理的擴散措施，筒段處將產生較高的軸向壓縮應力，此應力狀態可能會導致薄壁結構提前屈曲，貯箱破壞。因此，在捆綁連接區域和貯箱箱體上必須設計特定的結構件來擴散所需傳遞的集中載荷，均勻化結構應力，削弱集中載荷對薄壁焊接貯箱的惡劣影響。

貯箱目前所使用的傳統放射結構，以擴散100噸級的小集中載荷為目的，短殼結構以均勻網格加筋為主，僅在靠近捆綁集中力的局部區域布置扇狀放射斜肋和擴散接頭來達到擴散效果。在短殼和箱筒段過渡區采用傳統連接環，由于所承受的集中載荷較小，由集中力擴散不均勻帶來的附加應力也較小，箱體筒段的結構應力還在線彈性范圍內，貯箱筒段一般為光殼結構。但對承受千噸級集中載荷的薄壁貯箱來說，箱體結構的擴散效率至少達到70％以上，才能保證結構不發生屈曲，而傳統的擴散效率僅20％，無法滿足使用要求。

傳統結構還存在如下缺點：(1)擴散接頭結構厚重，鍛件內部缺陷較多；為保證對接的平面度，在與短殼壁板鉚接時還需配置特殊的工裝；(2)大部分的集中力還是由中間肋承受，放射肋的擴散效率(即截面內應力的均勻程度)差，僅10％左右，結構易進入塑性而提前失效；(3)傳統連接環整體剛度大，在貯箱加注低溫推進劑并承受內壓作用時，對向外膨脹箱筒段產生約束作用， 使得兩者對接焊縫處的彎曲應力增大；(4)光筒殼式箱筒段抗軸壓性能較差，在集中力作用下，容易發生失穩。

針對以上問題，我們對薄壁貯箱的擴散結構進行了一體化設計，優化結構和傳力路徑，設計出波浪分布放射式短殼、加筋抗彎Y型環、三角形網格放射式筒段、雙面等應力圓環結構，經過一系列的擴散，集中力作用線上的應力水平降低，結構應力均勻化程度提高，最終集中力擴散效率達到84％。該一體化擴散結構輕質高效，具有高可靠性，能適應不同直徑、不同溫度、不同載荷、不同擴散要求的貯箱，其必能在貯箱主承力結構上有廣泛的應用。

發明內容

本發明的要點是一種能滿足大集中載荷強度要求的低溫貯箱，特別是針對千噸級捆綁集中力和軸壓耦合作用、對擴散效率有特殊要求而設計的結構。它能夠有效降低集中載荷作用線上的壓應力，通過各結構匹配協調，逐級擴散，削弱集中載荷對內壓薄壁氧箱的惡劣影響。

本發明的目的是為了公開一種擴散效率高、傳力路徑優化、結構輕質可靠的貯箱一體化擴散結構，以期能在貯箱主傳力結構設計中占有一席之地。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種具有大集中力、一體化擴散結構的貯箱，該貯箱包括波浪分布放射式短殼1、加筋抗彎Y型環2、三角形網格放射式筒段3，所述的波浪分布放射式短殼1和三角形網格放射式筒段3通過加筋抗彎Y型環2固定連接。

所述的貯箱材料為焊接性較好的高強鋁合金，所述的波浪分布放射式短殼1和三角形網格放射筒段3的單個壁板整體機械銑切后滾彎，機銑小圓角減少結構廢重；所述的加筋抗彎Y型環2采用整體漲環鍛造后機械加工，確保鍛環內部材料性能的均勻穩定。本發明采用整箱焊接，調整波浪分布放射式短殼1、加筋抗彎Y型環2、三角形網格放射式筒段3的周長相匹配，將加筋抗彎Y型環2與箱底焊接組成箱體組合件，然后與波浪分布放射式短殼1焊接。

所述的波浪分布放射式短殼1為圓形，由四塊完全相同的弧形的波浪分布 放射式短殼壁板焊接而成,包括波浪型基座4、放射斜肋5、梯形過渡環肋6、均勻網格7；所述的放射斜肋5形成放射肋區域；所述的均勻網格7形成均勻網格區域。所述的短殼壁板材料，即貯箱短殼選用可焊性好的高強鋁合金板材，為提高強度，板材做預拉伸處理。

所述的波浪型基座4中部按照捆綁載荷傳力方向，以結構應力最小，重量最輕為目標，采用拓撲優化方法得到中間凹陷、兩側凸起的波形結構，有利于將捆綁作用線上的集中載荷逐漸引向剛度較大的波峰區域，直肋剛度小，所分擔的應力也變小，載荷主要由兩側斜肋承擔，波浪型基座的波形根據實際情況確定。所述的波浪型基座4兩側為常規的弧形基座。