不同温度环境下助推器前连杆防热罩结构承载能力研究

李洪飞 杨光伟 项 阳



不同温度环境下助推器前连杆防热罩结构承载能力研究

李洪飞 杨光伟 项 阳

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

以某运载器助推前连杆防热罩为研究对象，建立了热力耦合分析数学模型。利用ANSYS有限元软件对不同温度下助推器前连杆防热罩进行了强度、刚度分析计算，得到防热罩各部件的应力和屈曲形态等结果，当环境温度从20℃上升到200℃后，防热罩承受外压屈曲载荷从676kPa降低至313kPa，外压破坏载荷从780kPa降低至165kPa，并分析该结构在工作环境下的极限承载能力。

防热罩；强度分析；刚度分析

1 引言

火箭助推器前连杆防热罩结构是一种特殊的承力结构，主要材料为玻璃钢，它在火箭实际飞行过程中会承受气动载荷作用，随着飞行高度、飞行速度的逐步增加，助推器前连杆防热罩结构所承受的气动热载荷也随之发生变化，由于材料和结构的特殊性，国内涉及该防热罩结构承载能力方面的研究较少，且它是火箭中一种重要的承载力结构，一旦出现破坏会影响火箭最终的飞行结果，造成难以挽回的经济损失。

近年来，随着新研制型号的增多，采用样件试验的方法难以满足助推器前连杆防热罩的研发周期需求，需要通过有限元仿真开展不同温度环境下助推器前连杆防热罩结构承载能力的研究[1，2]。本文根据某型号运载火箭前连杆防热罩的实际几何结构尺寸，运用ANSYS软件进行静力学有限元分析，得到防热罩结构的应力和屈曲形态等结果，确定防热罩结构的极限承载能力和失效模式。

2 防热罩有限元模型

2.1 防热罩载荷

助推器前连杆防热罩是助推火箭中的一种特殊结构，主要材料为玻璃钢，在火箭飞行过程中起到防热作用。该结构采用的是蒙皮铆接结构，形状为圆弧状，直径为2000mm，在飞行过程中蒙皮外表面与外界空气产生摩擦力。摩擦力作用在蒙皮外表面上将产生表面温度升高和承受外压两种实际效果，形成防热罩的两种间接载荷，一种是承受来自气动产生的外压力，另一种是温度载荷（20～200℃），图1为防热罩载荷原理示意图。

图1 防热罩载荷原理示意图

2.2 几何模型

图2 防热罩结构有限元计算模型

结合助推器前连杆防热罩的具体结构尺寸和实际飞行过程中的承载形式，运用ANSYS/APDL对前捆绑连接件建立有限元模型[3～5]，见图2，模型采用壳体单元和梁单元，其中蒙皮结构采用壳体单元，框结构采用梁单元，防热罩与两端防热罩的接触采用二维面面接触单元建立，运用十六分之一的对称模型简化算法，采用扫略网格的划分方法，网格数量约为31000个。

2.3 材料参数

前连杆防热罩材料为玻璃钢，根据该材料在20℃、100℃和200℃环境温度下的弹性模量、泊松比、屈服应力等力学性能参数，对前连杆防热罩进行分析计算，见表1。

表1 前连杆防热罩材料参数

3 防热罩刚度分析

火箭助推器前连杆防热罩结构的工况温度范围为20～200℃，根据实际飞行过程中气动载荷的作用方式，对防热罩结构实际承载面施加外压载荷87kPa，运用ANSYS分析软件计算，得到不同温度环境下防热罩结构前2阶失稳形式的屈曲载荷。

3.1 刚度计算结果

为直观表述不同温度条件下防热罩结构承受外压载荷作用的屈曲形态和临界屈曲载荷，图3～图5对应列出防热罩结构的刚度有限元计算结果。

图3 防热罩承外压前2阶失稳波形（20℃）

图4 防热罩承外压前2阶失稳波形（100℃）

图5 防热罩承外压前2阶失稳波形（200℃）

3.2 刚度结果分析

具体不同温度作用下防热罩材料承受外压载荷时，临界屈曲载荷如表2所示。

表2 外压载荷下防热罩前2阶临界屈曲载荷值

通过上述数据可以发现，温度从20℃上升至100℃时，1阶和2阶外压屈曲载荷降幅明显，降幅达到50%左右；温度从100℃上升至200℃时，外压屈曲载荷略有降幅，降幅约为10%。此外，对比外压屈曲载荷数据和弹性模量发现，外压屈曲载荷随温度的变化趋势与弹性模量随温度的变化趋势具有一致性，如图6所示。通过分析防热罩在两种载荷作用下的结构失稳波形，得到在承受外压载荷作用下，防热罩结构为整体失稳模式。

图6 外压载荷和弹性模量随温度变化曲线

4 防热罩强度分析

在防热罩结构的迎风面施加临界外压载荷作用，对防热罩结构的应力与应力分布情况进行分析计算。

4.1 强度计算结果

图7 外压载荷下防热罩应力分布（20℃）

图8 外压载荷下防热罩应力分布（100℃）

为直观表述不同温度条件下防热罩结构承受外压载荷作用的应力大小与分布，将防热罩结构的强度有限元计算结果分别对应列于图7～图9。

4.2 强度结果分析

根据不同温度下防热罩的强度分析计算结果，可以得到防热罩在承受外压载荷作用时的强度破坏载荷值，如表3所示。

表3 外压作用下防热罩强度破坏载荷值

通过上述数据可以发现，温度从20℃上升至100℃时，外压破坏载荷降幅明显，降幅达到69%；温度从100℃上升至200℃时，外压破坏载荷降幅约为31%。此外，将外压破坏载荷数据和弹性模量进行对比发现，外压破坏载荷随温度的变化趋势与材料强度随温度的变化趋势具有一致性，如图10所示，再结合前面的刚度分析，认为随着温度升高，防热罩极限承载能力逐渐减小。同时，通过对比表2和表3里面同一温度下的外压屈曲载荷和外压破坏载荷，可以得到20℃状态下防热罩结构承受外压载荷作用的失效模式为屈曲破坏模式；在100℃和200℃温度环境下，防热罩结构承受外压载荷作用的失效模式为强度破坏模式。

图10 外压载荷和材料强度随温度变化曲线

根据防热罩在两种载荷作用下的结构应力分布云图可以得到，在承受外压载荷作用下，防热罩结构最大集中应力均出现于中间防热罩构件的螺钉连接处，因此在结构设计时，螺钉设计强度应该高于防热罩构件，经过仿真计算该处的强度最大值为62.5MPa，远小于螺钉设计强度141MPa，满足设计要求。

5 结束语

通过对某型号运载火箭助推器前连杆防热罩结构在不同环境温度下的刚度、强度有限元计算结果对比分析，得到如下结论：a.随着温度升高，防热罩极限承载能力减小，在防热罩结构的设计和选用时需要考虑实际飞行过程中防热罩承载的温度环境条件。b.20℃状态下防热罩结构承受外压载荷作用的失效模式为屈曲破坏模式；在100℃和200℃温度环境下，防热罩结构承受外压载荷作用的失效模式为强度破坏模式。c.防热罩结构在承受外压载荷作用下，最大集中应力均出现于中间防热罩构件的螺钉连接处，在结构设计时，螺钉强度要高于防热罩构件。

1 冯苏乐，张柳峰，罗益民，等. 纯铝半球构件拉深成形数值模拟及工艺研究[J]. 航天制造技术，2016(5)：35～37

2 孙浩，周改超，崔恩强，等. 镁合金横梁铸件铸造工艺设计及数值仿真分析[J].航天制造技术，2017(6)：26～30

3 庄严，吕明璐，张瑶，等. 固定管板式换热器强度分析与评定[J].当代化工，2018(3)：566～568

4 王宏臣. 基于ANSYS的塔式起重机温度物理场强度分析[J].机电信息，2018(3)：110～111

5 庄严，吕明璐，张瑶，等. 基于ANSYS WorkBench的蒸馏炉吊装设备车体静力学分析[J].当代化工，2018(3)：47～49

Study on Structural Load Carrying Capacity of Front Connecting Rod Heat Shield of Booster at Different Temperatures

Li Hongfei Yang Guangwei Xiang Yang

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

A mathematical model of thermomechanical coupling analsysis is established based on a propelled thermal shield of a front connecting rod. The strength and stiffness of the front connecting rod heat shield of the booster were analyzed and calculated by using ANSYS finite element software. Finally, the stress and bucking morphology of the components of the heat shield are obtained. When the environmental temperature increased from 20℃ to 200℃, the external pressure load of the heat shield decreased from 676kPa to 313kPa, failure load decreased from 780kPa to 165kPa, and the ultimate bearing capacity of the structure under the working environment was predicted.

rod heat shield；stiffness analysis；strength analysis

李洪飞（1979），高级工程师，材料成型及控制工程专业；研究方向：焊接工艺、焊接结构有限元分析以及生产管理信息化。

2018-06-29