本發(fā)明涉及的是液體運(yùn)載火箭低溫貯箱薄壁結(jié)構(gòu)，特別是針對(duì)承受千噸級(jí)捆綁集中力和軸內(nèi)壓載荷耦合作用、對(duì)擴(kuò)散效率有特殊要求而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，屬于航空航天貯箱技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

薄壁貯箱作為運(yùn)載火箭的主體結(jié)構(gòu)，除承受內(nèi)壓外，還傳遞火箭的各種飛行載荷。對(duì)于大推力捆綁式火箭，芯級(jí)箭體在捆綁點(diǎn)附近承受巨大的集中載荷，量級(jí)達(dá)到千噸級(jí)，且載荷作用點(diǎn)和芯級(jí)殼壁存在一定偏心，使得芯級(jí)殼體承受較大的附加彎矩。同時(shí)，芯級(jí)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)域和貯箱箱體上必須設(shè)計(jì)特定的結(jié)構(gòu)件來(lái)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(duì)薄壁焊接貯箱的惡劣影響。

貯箱目前所使用的傳統(tǒng)放射結(jié)構(gòu)，以擴(kuò)散100噸級(jí)的小集中載荷為目的，短殼結(jié)構(gòu)以均勻網(wǎng)格加筋為主，僅在靠近捆綁集中力的局部區(qū)域布置扇狀放射斜肋和擴(kuò)散接頭來(lái)達(dá)到擴(kuò)散效果。在短殼和箱筒段過(guò)渡區(qū)采用傳統(tǒng)連接環(huán)，由于所承受的集中載荷較小，由集中力擴(kuò)散不均勻帶來(lái)的附加應(yīng)力也較小，箱體筒段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力還在線彈性范圍內(nèi)，貯箱筒段一般為光殼結(jié)構(gòu)。但對(duì)承受千噸級(jí)集中載荷的薄壁貯箱來(lái)說(shuō)，箱體結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散效率至少達(dá)到70％以上，才能保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生屈曲，而傳統(tǒng)的擴(kuò)散效率僅20％，無(wú)法滿足使用要求。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)還存在如下缺點(diǎn)：(1)擴(kuò)散接頭結(jié)構(gòu)厚重，鍛件內(nèi)部缺陷較多；為保證對(duì)接的平面度，在與短殼壁板鉚接時(shí)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(kuò)散效率(即截面內(nèi)應(yīng)力的均勻程度)差，僅10％左右，結(jié)構(gòu)易進(jìn)入塑性而提前失效；(3)傳統(tǒng)連接環(huán)整體剛度大，在貯箱加注低溫推進(jìn)劑并承受內(nèi)壓作用時(shí)，對(duì)向外膨脹箱筒段產(chǎn)生約束作用， 使得兩者對(duì)接焊縫處的彎曲應(yīng)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(fā)生失穩(wěn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們對(duì)薄壁貯箱的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和傳力路徑，設(shè)計(jì)出波浪分布放射式短殼、加筋抗彎Y型環(huán)、三角形網(wǎng)格放射式筒段、雙面等應(yīng)力圓環(huán)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)一系列的擴(kuò)散，集中力作用線上的應(yīng)力水平降低，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻化程度提高，最終集中力擴(kuò)散效率達(dá)到84％。該一體化擴(kuò)散結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高效，具有高可靠性，能適應(yīng)不同直徑、不同溫度、不同載荷、不同擴(kuò)散要求的貯箱，其必能在貯箱主承力結(jié)構(gòu)上有廣泛的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的要點(diǎn)是一種能滿足大集中載荷強(qiáng)度要求的低溫貯箱，特別是針對(duì)千噸級(jí)捆綁集中力和軸壓耦合作用、對(duì)擴(kuò)散效率有特殊要求而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。它能夠有效降低集中載荷作用線上的壓應(yīng)力，通過(guò)各結(jié)構(gòu)匹配協(xié)調(diào)，逐級(jí)擴(kuò)散，削弱集中載荷對(duì)內(nèi)壓薄壁氧箱的惡劣影響。

本發(fā)明的目的是為了公開(kāi)一種擴(kuò)散效率高、傳力路徑優(yōu)化、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)可靠的貯箱一體化擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，以期能在貯箱主傳力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有一席之地。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種具有大集中力、一體化擴(kuò)散結(jié)構(gòu)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(huán)2、三角形網(wǎng)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(wǎng)格放射式筒段3通過(guò)加筋抗彎Y型環(huán)2固定連接。

所述的貯箱材料為焊接性較好的高強(qiáng)鋁合金，所述的波浪分布放射式短殼1和三角形網(wǎng)格放射筒段3的單個(gè)壁板整體機(jī)械銑切后滾彎，機(jī)銑小圓角減少結(jié)構(gòu)廢重；所述的加筋抗彎Y型環(huán)2采用整體漲環(huán)鍛造后機(jī)械加工，確保鍛環(huán)內(nèi)部材料性能的均勻穩(wěn)定。本發(fā)明采用整箱焊接，調(diào)整波浪分布放射式短殼1、加筋抗彎Y型環(huán)2、三角形網(wǎng)格放射式筒段3的周長(zhǎng)相匹配，將加筋抗彎Y型環(huán)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(guò)渡環(huán)肋6、均勻網(wǎng)格7；所述的放射斜肋5形成放射肋區(qū)域；所述的均勻網(wǎng)格7形成均勻網(wǎng)格區(qū)域。所述的短殼壁板材料，即貯箱短殼選用可焊性好的高強(qiáng)鋁合金板材，為提高強(qiáng)度，板材做預(yù)拉伸處理。

所述的波浪型基座4中部按照捆綁載荷傳力方向，以結(jié)構(gòu)應(yīng)力最小，重量最輕為目標(biāo)，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法得到中間凹陷、兩側(cè)凸起的波形結(jié)構(gòu)，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(qū)域，直肋剛度小，所分擔(dān)的應(yīng)力也變小，載荷主要由兩側(cè)斜肋承擔(dān)，波浪型基座的波形根據(jù)實(shí)際情況確定。所述的波浪型基座4兩側(cè)為常規(guī)的弧形基座。

所述的放射斜肋5包括多個(gè)放射斜肋，放射肋的個(gè)數(shù)由實(shí)際情況確定，各放射斜肋的匯交點(diǎn)位于波浪分布放射式短殼1外，提高放射結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)效率；每根放射斜肋的角度、截面大小、寬度、數(shù)量和分布根據(jù)擴(kuò)散需求和貯箱短殼的臨界承載能力確定，能夠適應(yīng)不同直徑、不同載荷、不同擴(kuò)散要求的波浪分布放射式短殼1。放射斜肋5的橫截面積遠(yuǎn)大于壁板蒙皮的橫截面積，用于將貯箱短殼簡(jiǎn)化為集中一點(diǎn)的桿系結(jié)構(gòu)，當(dāng)計(jì)算貯箱短殼承載能力時(shí)，忽略蒙皮的承載能力。集中力作用在放射肋區(qū)域的中部，擴(kuò)散范圍為集中力中心線±30°，各放射斜肋5在集中力作用方向的分力相等。問(wèn)題簡(jiǎn)化為集中一點(diǎn)桿系的超靜定問(wèn)題，聯(lián)合受力平衡方程和變形協(xié)調(diào)平衡方程求解出每根肋的剖面積和放射角度。通過(guò)調(diào)整每根放射斜肋5的寬度，迭代計(jì)算短殼結(jié)構(gòu)的臨界承載能力，優(yōu)化斜肋的放射角度，降低短殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力峰值，使得應(yīng)力分布均勻化。增加肋條寬度會(huì)降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，但同時(shí)結(jié)構(gòu)重量增大；減小肋條寬度會(huì)增大結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生失穩(wěn)；為得到擴(kuò)散效率高、可靠性高的結(jié)構(gòu)，需要多輪迭代計(jì)算確定最終參數(shù)。

所述的梯形過(guò)渡環(huán)肋6位于放射斜肋5和均勻網(wǎng)格7的過(guò)渡區(qū)域，用于緩解放射結(jié)構(gòu)和均勻結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域結(jié)構(gòu)突變帶來(lái)的應(yīng)力集中，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。考慮貯箱短殼承受箭體飛行中的均勻軸壓，所述的均勻網(wǎng)格7位于放射肋 區(qū)域兩側(cè)，用于進(jìn)一步均勻化結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并抵抗軸壓載荷。均勻網(wǎng)格7形成均勻網(wǎng)格7區(qū)。

所述的加筋抗彎Y型環(huán)2外表面設(shè)置多個(gè)加筋網(wǎng)格，在滿足承載能力的前提下，用于減小筒段和箱底連接區(qū)域的剛度差異；所述的加筋網(wǎng)格由四條筋條組成，加筋網(wǎng)格的位置與波浪分布放射式短殼1中的均勻網(wǎng)格區(qū)對(duì)應(yīng)；加筋網(wǎng)格寬度漸變，越靠近放射區(qū)，寬度越寬，用于均勻化結(jié)構(gòu)應(yīng)力；以箱底和筒段連接處(曲率突變處)的焊縫內(nèi)外表面應(yīng)力梯度最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用拓?fù)鋬?yōu)化方法，在Y型環(huán)內(nèi)表面增加弧形抗彎槽，提高結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)能力，減小由剛度和曲率突變引起的附加彎曲應(yīng)力。

所述的三角形網(wǎng)格放射筒段3由4塊完全相同的放射式三角形網(wǎng)格壁板焊接而成，所述的三角型網(wǎng)格壁板具有優(yōu)異的抗集中力、抗扭性能及各項(xiàng)同性的力學(xué)性能。同時(shí)三角形網(wǎng)格放射筒段具有破損－安全設(shè)計(jì)的要求，即便網(wǎng)格出現(xiàn)裂縫，壓力和剪力都會(huì)被其它筋條所分擔(dān)，這一點(diǎn)是正交網(wǎng)格所不具備的。三角形網(wǎng)格放射式筒段3的蒙皮厚度漸變，與波浪分布放射式短殼1上的放射肋區(qū)域?qū)?yīng)，靠近放射肋輻射范圍，蒙皮厚度變厚，進(jìn)一步擴(kuò)散集中力，減小局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

所述的每根放射斜肋的角度、截面大小、寬度、數(shù)量和分布根據(jù)擴(kuò)散需求和貯箱短殼的臨界承載能力確定，能夠適應(yīng)不同直徑、不同載荷、不同擴(kuò)散要求的波浪分布放射式短殼1；所述的波浪分布放射式短殼1的波浪型基座4、加筋抗彎Y型環(huán)2的變距網(wǎng)格和弧形抗彎槽尺寸、三角形網(wǎng)格放射筒段3的網(wǎng)格參數(shù)、蒙皮厚度根據(jù)實(shí)際情況確定，適應(yīng)不同直徑、不同溫度、不同載荷、不同擴(kuò)散要求的貯箱。

本發(fā)明擴(kuò)散效率的分析和驗(yàn)證：

一般選取截面內(nèi)力的均勻程度來(lái)評(píng)價(jià)集中力的擴(kuò)散效果，改變結(jié)構(gòu)形式和剛度參數(shù)，集中力的傳遞路徑也隨之改變。本發(fā)明通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)出波浪分布放射式短殼1、加筋抗彎Y型環(huán)2、三角形網(wǎng)格放射式筒段3，將集中載荷引向扇狀放射方向，降低中心作用線上的應(yīng)力水平，均勻化結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

為驗(yàn)證該擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，設(shè)計(jì)貯箱和捆綁結(jié)構(gòu)聯(lián)合靜力試驗(yàn)，將多部段聯(lián)合裝配體采用正置安裝，利用加力帽與立柱平衡系統(tǒng)將試驗(yàn)件懸掛，集中載荷采用推頂式加載，貯箱加注低溫液氮，在擴(kuò)散結(jié)構(gòu)中布置應(yīng)力和位移測(cè)點(diǎn)，獲取各部分的擴(kuò)散效率和應(yīng)力分布情況。

本發(fā)明的擴(kuò)散原理為：采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)波浪分布放射式短殼1，有利于將捆綁作用線上的集中載荷引向剛度較大的波峰區(qū)域，集中力的傳遞路徑也隨之改變，直肋剛度小，所分擔(dān)的應(yīng)力也變小，載荷主要由兩側(cè)的多根斜肋承擔(dān)。放射斜肋設(shè)計(jì)成變截面的結(jié)構(gòu)，可保證各放射肋在集中力作用方向的分力基本相等，最大程度的均勻化結(jié)構(gòu)應(yīng)力。梯形過(guò)渡環(huán)肋可以緩解放射結(jié)構(gòu)和均勻結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域結(jié)構(gòu)突變帶來(lái)的應(yīng)力集中，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。均勻網(wǎng)格可以進(jìn)一步均勻化結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并抵抗軸壓載荷。以波浪分布放射式短殼1扇形放射區(qū)外圍的均勻網(wǎng)格為基準(zhǔn)，加筋抗彎Y型環(huán)2外表面設(shè)置變距網(wǎng)格，隨著遠(yuǎn)離放射區(qū)，筋條寬度變窄，結(jié)構(gòu)變?nèi)酰龑?dǎo)集中力向網(wǎng)格加密區(qū)傳遞，使其進(jìn)一步擴(kuò)散。加筋抗彎Y型環(huán)2內(nèi)表面增加弧形抗彎槽，提高結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)能力。減小由剛度和曲率突變引起的附加彎曲應(yīng)力。三角形網(wǎng)格放射筒段3中三角形網(wǎng)格是各向同性結(jié)構(gòu)，抗扭性能高，蒙皮在對(duì)應(yīng)短殼放射肋延伸方向上設(shè)置漸變厚度，讓集中力在筒段中進(jìn)一步擴(kuò)散，直至筒段上方集中力產(chǎn)生的壓應(yīng)力逐漸消失。

與現(xiàn)有的貯箱放射結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的有益效果為：(1)波浪分布放射式短殼1的波浪型基座有利于將集中載荷引向剛度較大的波峰區(qū)域，變截面放射肋可最大程度的均勻化結(jié)構(gòu)應(yīng)力。(2)加筋抗彎Y型環(huán)2的變距網(wǎng)格引導(dǎo)集中力向網(wǎng)格加密區(qū)傳遞，使其進(jìn)一步延環(huán)向擴(kuò)散?；⌒慰箯澆勰芴岣呓Y(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)能力。減小由剛度和曲率突變引起的附加彎曲應(yīng)力。(3)三角形網(wǎng)格有優(yōu)異的抗集中力、抗扭性能，其各項(xiàng)同性的力學(xué)性能，是其他類(lèi)型網(wǎng)格所不能及的。同時(shí)它還具有破損－安全設(shè)計(jì)的要求，即便網(wǎng)格出現(xiàn)裂縫，壓力和剪力都會(huì)被其它筋條所分擔(dān)，這一點(diǎn)是光筒和正交網(wǎng)格所不具備的。在放射方向上的變厚度蒙皮能進(jìn)一步擴(kuò)散集中力，減小局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

在貯箱和捆綁結(jié)構(gòu)聯(lián)合靜力試驗(yàn)中，對(duì)選取截面內(nèi)力的均勻程度來(lái)評(píng)價(jià)集中力擴(kuò)散的效果。以貯箱后端框作為起點(diǎn)，箱體不同高度上環(huán)向一周測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平見(jiàn)表1，最大應(yīng)力均在軸向集中載荷作用母線附近，可以看出，隨著與集中載荷作用點(diǎn)的距離增大，應(yīng)力分布越來(lái)越均勻，總體應(yīng)力水平顯著降低，箱體結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散效率達(dá)到84％，驗(yàn)證了集中擴(kuò)散的效果。試驗(yàn)中，上筒段的中上部的測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力逐漸消失，變成以內(nèi)壓為主的向外膨脹的拉應(yīng)力。

附圖說(shuō)明

圖1為大集中力、一體化擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的貯箱的展開(kāi)圖。

圖2為波浪分布放射式短殼的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖3波浪分布放射式短殼壁板的主視圖

圖4為波浪分布放射式短殼壁板的左視圖。

圖5為加筋抗彎Y型環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖6為加筋抗彎Y型環(huán)俯視圖

圖7為沿圖6A-A線的剖面圖

圖8為三角形網(wǎng)格放射式筒段

圖9為放射式三角形網(wǎng)格壁板展開(kāi)圖

圖10為沿圖9中的B-B圖的剖視圖

圖中：1 波浪分布放射式短殼；2 加筋抗彎Y型環(huán)；3 三角形網(wǎng)格放射筒段；4 波浪型基座、5 放射斜肋、6 梯形過(guò)渡環(huán)肋、7 均勻網(wǎng)格。

具體實(shí)施方式

波浪分布放射式短殼1由4塊放射肋壁板焊接而成，壁板材料選用可焊性好的高強(qiáng)鋁合金板材，為提高強(qiáng)度，板材做預(yù)拉伸處理。在平板上機(jī)械銑切波浪型基座，放射斜肋和均勻網(wǎng)格，隨后對(duì)完成銑切的壁板滾彎到要求的弧度。機(jī)銑小圓角可減少結(jié)構(gòu)廢重，最后將4塊壁板拼焊成短殼。加筋抗彎Y型環(huán)2采用整體漲環(huán)鍛造后機(jī)械加工，確保鍛環(huán)內(nèi)部材料性能的均勻穩(wěn)定。三角形網(wǎng)格放射筒段3由4塊三角型網(wǎng)格壁板焊接而成，選材和工藝流程同波浪分布放射式短殼1，然后將4塊壁板拼焊成筒段。最后進(jìn)行整箱焊接，調(diào)整短殼、Y型環(huán)、筒段的周長(zhǎng)相匹配。先將Y型環(huán)與箱底焊接組成箱體組合件，然后與筒段 焊接。波浪分布放射式短殼1、加筋抗彎Y型環(huán)2、三角形網(wǎng)格放射式筒段3部件之間通過(guò)焊接連接。

波浪分布放射式短殼1的放射基座波形、加筋抗彎Y型環(huán)2的變距網(wǎng)格和弧形抗彎槽尺寸、三角形網(wǎng)格放射筒段3的網(wǎng)格參數(shù)、蒙皮厚度可以改變，放射斜肋的角度、截面大小、數(shù)量和分布可根據(jù)擴(kuò)散需求進(jìn)行調(diào)整。能適應(yīng)不同直徑、不同溫度、不同載荷、不同擴(kuò)散要求的貯箱。

為驗(yàn)證該擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，設(shè)計(jì)貯箱和捆綁結(jié)構(gòu)聯(lián)合靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表一所示，在貯箱擴(kuò)散結(jié)構(gòu)中布置應(yīng)力和位移測(cè)點(diǎn)，獲取各部分的擴(kuò)散效率和應(yīng)力分布情況。隨著與集中載荷作用點(diǎn)的距離增大，應(yīng)力分布越來(lái)越均勻，總體應(yīng)力水平顯著降低，箱體結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散效率達(dá)到84％，驗(yàn)證了集中擴(kuò)散的效果。試驗(yàn)中，上筒段的中上部的測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力逐漸消失，變成以內(nèi)壓為主的向外膨脹的拉應(yīng)力。貯箱大集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)可有效地?cái)U(kuò)散集中載荷，優(yōu)化傳力路徑，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)。

表1 不同高度的環(huán)向應(yīng)力分布及擴(kuò)散效率