[發(fā)明專利]一種受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811226719.1
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN109388894A
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王博;程耿東;吳會(huì)強(qiáng);張希;杜凱繁;郝鵬;王斌;石云峰;黃誠
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，屬于航空航天連接結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。該受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的材料分布呈軸對稱三角形，其特征為該結(jié)構(gòu)對稱軸上有材料分布，且結(jié)構(gòu)對稱軸單側(cè)具有兩條明顯的條帶狀材料分布，且外側(cè)的材料分布更為粗壯；受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)具有自下而上呈現(xiàn)出多層級分叉的特征。本發(fā)明面向集中力擴(kuò)散問題，提出典型構(gòu)件考慮結(jié)構(gòu)剛度集中力擴(kuò)散和穩(wěn)定性多功能優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建了結(jié)合拓?fù)洹螤睢叽缍鄬哟渭夹g(shù)框架，提出一種受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)受限空間內(nèi)千噸級載荷的力與力矩解耦擴(kuò)散。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是我國運(yùn)載火箭連接結(jié)構(gòu)，特別是針對承受千噸級捆綁集中力和軸壓耦合作用、有特殊擴(kuò)散效率要求而設(shè)計(jì)的受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，屬于航空航天連接結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

針對新一代運(yùn)載火箭CZ-5采用了助推點(diǎn)火傳力結(jié)構(gòu)，即助推前捆綁結(jié)構(gòu)，發(fā)明人提出運(yùn)載火箭典型受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)受限空間內(nèi)千噸級載荷的力與力矩解耦擴(kuò)散。具體來說，運(yùn)載火箭起飛時(shí)刻，千噸級載荷要通過助推前捆綁結(jié)構(gòu)傳遞給直徑5米的芯級結(jié)構(gòu)，這就造成了大直徑運(yùn)載火箭千噸級集中力載荷擴(kuò)散難題，對于受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是前所未有的。

對于捆綁式火箭，芯級箭體在捆綁點(diǎn)附近承受巨大的集中力載荷，量級達(dá)到千噸級，且載荷作用點(diǎn)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(shí)，芯級薄壁貯箱自身還承受內(nèi)壓，軸壓、彎矩、剪力等載荷，如不采取合理的擴(kuò)散措施，筒段處將產(chǎn)生較高的軸向壓縮應(yīng)力，此應(yīng)力狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致薄壁結(jié)構(gòu)提前屈曲，貯箱破壞。因此，在捆綁連接區(qū)域和箱體上必須設(shè)計(jì)特定的結(jié)構(gòu)件來擴(kuò)散所需傳遞的集中載荷，均勻化結(jié)構(gòu)應(yīng)力，削弱集中載荷對薄壁焊接貯箱的惡劣影響。

目前采用傳統(tǒng)放射短殼壁板來解決集中力擴(kuò)散問題。放射短殼結(jié)構(gòu)以均勻網(wǎng)格加筋為主，在靠近捆綁集中力的局部區(qū)域布置擴(kuò)散接頭和扇狀放射斜肋來達(dá)到擴(kuò)散效果。擴(kuò)散捆綁接頭一般采用鍛件，與短殼壁板鉚接在一起。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在問題，本發(fā)明面向集中力擴(kuò)散問題，提出典型構(gòu)件考慮結(jié)構(gòu)剛度集中力擴(kuò)散和穩(wěn)定性多功能優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建了結(jié)合拓?fù)洹螤睢叽缍鄬哟渭夹g(shù)框架，最終提出一種受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)受限空間內(nèi)千噸級載荷的力與力矩解耦擴(kuò)散。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)為軸對稱倒三角形結(jié)構(gòu)，其中部設(shè)有對稱軸，對稱軸兩側(cè)設(shè)有條帶狀肋條，在對稱軸與條帶狀肋條之間設(shè)有自下而上的多層級分叉結(jié)構(gòu)。集中力作用在擴(kuò)散結(jié)構(gòu)底端，在頂端分散均勻，應(yīng)用于運(yùn)載火箭捆綁結(jié)構(gòu)。

所述的受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的材料選用航天領(lǐng)域可焊性好的高強(qiáng)鋁合金板材，為提高強(qiáng)度，板材做預(yù)拉伸處理。

一種受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)通過連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，確定集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的最佳傳力路徑，確保結(jié)構(gòu)基本剛度要求，提高集中力擴(kuò)散效率，得到設(shè)計(jì)域內(nèi)材料的主要分布形式，即該結(jié)構(gòu)材料分布的初始設(shè)計(jì)。

2)基于該初始設(shè)計(jì)，以連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法中的拓?fù)涮卣魈崛〉玫降哪Ｐ蜑槌跏紭?gòu)型，進(jìn)行形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，其目的在于降低結(jié)構(gòu)最大Von-Mises應(yīng)力，削弱結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，通過形狀優(yōu)化獲得清晰的滿足強(qiáng)度要求的軸對稱倒三角形結(jié)構(gòu)。

3)在步驟2)形狀優(yōu)化的基礎(chǔ)上，考慮設(shè)計(jì)多個(gè)性能指標(biāo)，給出最終確定的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)步驟2)得到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及考慮多個(gè)性能指標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定多層級分叉特征及軸對稱倒三角形結(jié)構(gòu)特征，具體為：以清晰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特征尺寸為變量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模。以集中力擴(kuò)散效率為目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力、重量和穩(wěn)定性為約束，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)，最終完成受限區(qū)域集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所述的主要特征尺寸為對稱軸和肋條尺寸。