火箭增压管路反拱形破裂膜片仿真分析及试验研究

王丛飞，邢力超，许 光，满 满

(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

引言

在航天领域，破裂膜片广泛应用于运载、武器等液体型号的自生增压管路中，达到隔离与打开的目的，破裂膜片能否正常打开直接关系到自生增压系统是否正常工作，具有十分重要的作用[1-2]。现役型号广泛采用传统铝制平板形破裂膜片，纯铝材料耐腐蚀性差，同时，焊接易出现气泡等缺陷。针对以上问题，拟采用新型不锈钢破裂膜片对破裂膜片产品进行更新换代，该膜片采用不锈钢材料，产品的耐腐蚀性明显改善，且具有较好的焊接性能，产品的示意图如图1所示。结构为反拱形式，并在表面预制一定形状的刻痕，在膜片打开的过程引导产品规则打开，可以有效防止多余物的产生。

不同于平板形和正拱形破裂膜片单纯依靠强度破坏实现打开[3-5]，反拱形破裂膜片依靠结构失稳实现打开，影响结构稳定性的主要因素包括：原材料力学性能、膜片厚度、拱高、刻痕处剩余厚度等[6]。本研究采用有限元的方法对破裂膜片的打开压力进行仿真分析研究，同时，通过试验对产品的打开压力性能进行了验证。

1 产品几何参数与性能指标

1.1 几何参数

反拱带槽形破裂膜片结构参数图如图2所示。刻痕位于拱内侧，为“十”字形，减弱槽采用激光刻蚀加工，为矩形凹槽，刻痕尺寸规整，有利于进行参数测量。

图1 反拱带槽形破裂膜片结构示意图

图2 膜片主要参数定义

膜片的主要参数：膜片外径D1；起拱外径D0；成形拱高H；膜片厚度t1；刻痕处剩余厚度t2；刻痕宽度B；成拱半径R。

1.2 性能指标

火箭增压管路用破裂膜片指标要求：通径90 mm；正向打开压力(0.4±0.05)MPa；反向承压能力不小于0.5 MPa。

2 方案仿真分析

非线性稳定性分析方法是结构领域计算结构最大承载能力的一种重要手段[7]。同时，罗代明[8]、闫照峰[9]均采用ANSYS有限元软件非线性的方法对反拱形膜片的打开压力进行过研究分析。

本研究针对反拱带槽形破裂膜片采用ABAQUS软件进行了稳定性分析。实际结构在工程上不可能是完善的，存在一定的缺陷，非线性稳定性分析一般需引入初始缺陷，初始缺陷一般以屈曲模态为基础，选取一定的缺陷比例因子。因此，首先对破裂膜片进行了模态分析，计算了破裂膜片产品的前几阶模态；在此基础上，对破裂膜片进行非线性稳定性分析，计算破裂膜片的最大承载能力。

2.1 有限元模型

通过经验分析，膜片厚度在0.2 mm左右，产品较薄，因此，选用了壳shell单元进行计算分析。模型为轴对称结构，为了简化计算量，选取1/4模型进行分析，设置对称边界约束。破裂膜片的有限元模型如图3所示。

图3 破裂膜片有限元模型

其中，起拱外径D0为90 mm，刻痕直径D2为86 mm，膜片外径D1为139 mm，该参数主要与上下挡圈及密封结构相关，对破裂膜片打开压力性能无影响，破裂膜片厚度、拱高、刻痕剩余厚度为设计参数。

2.2 材料属性

破裂膜片材料选用316不锈钢材料，弹性模量195 GPa，泊松比0.3，材料的塑性参数见表1所示。

表1 316不锈钢材料塑性参数

2.3 分析步设置

第一步计算破裂膜片的屈曲模态，选择lanczos分析步，提取破裂膜片的前几阶模态。膜片起拱的部位加载一定的压力载荷，计算分析得到破裂膜片前三阶屈曲模态。

第二步进行非线性稳定性分析，选取Risk分析方法，边界条件及载荷设置与buckling分析步设置相同，并通过编辑关键字设置缺陷因子，以第一阶模态作为初始变形的参考依据。

缺陷因子对打开压力有着重要影响，因此，正确设置缺陷因子对最终打开压力有显著影响[10]。罗代明[8]在计算反拱带刀形破裂膜片的时候，通过对比分析数据与试验数据，根据不同结构选取的缺陷比例因子有0.07,0.08，且结构不同选取的缺陷因子有一定区别。闫照峰[9]在计算反拱带刀形破裂膜片的时候，选择缺陷系数0.006，但未对缺陷因子对打开压力的影响开展过研究。本研究的结构为反拱带槽形结构，通过减弱槽实现破裂打开，与反拱带刀形破裂膜片有一定区别，缺陷因子在选取上有一定的不同，通过研究缺陷因子对打开压力的影响，并结合试验情况，确定合适的缺陷因子。

2.4 仿真分析结果

首先对破裂膜片进行了屈曲分析，提取了产品的前三阶屈曲模态，如图4所示。将一阶屈曲模态的变形位移乘以一定的缺陷因子作为初始缺陷进行非线性分析。

图4 破裂膜片的前三阶屈曲模态

通过非线性稳定性分析，得到了破裂膜片在失稳前结构的变形分布，如图5所示。该变形分布与一阶模态的变形形式类似，说明结构是沿着一阶模态的形式进行扩展变形。

图5 破裂膜片翻转前的变形分布

通过变形分布发展，破裂膜片在压力持续增加的过程中，在4个角部逐渐塌陷，在结构的平衡转换点，结构突然失稳，在失稳塌陷的过程，结构在刻槽位置破裂打开，实现翻转爆破打开的目的。

分别研究了初始缺陷因子k、原材料厚度e1、膜片拱高h、刻痕剩余厚度e2等4个参数对破裂膜片打开压力的影响。

图6给出了缺陷因子对破裂膜片打开压力的影响，结果显示，在一定的范围内，缺陷因子越大，打开压力越小，且缺陷因子对打开压力分析结果有较为显著的影响，在进行破裂膜片分析设计过程中，必须选取合适的缺陷因子。

图6 缺陷因子对打开压力的影响

图7给出了反拱形破裂膜片拱高对打开压力的影响，可以看出，在一定的范围内，打开压力与拱高基本程线性关系，打开压力随起拱高度的增加而提高。

图7 打开压力随拱高的变化

图8给出了破裂膜片打开压力随着膜片厚度变化的趋势，从数据可以得出，膜片打开压力随着厚度的增大而增大，之间的关系近似线性关系。

图8 打开随膜片厚度的变化趋势

图9给出了破裂膜片打开压力随刻痕剩余厚度的关系，结果显示，在一定范围内，刻痕处剩余厚度越大，打开压力越高。

图9 打开压力随刻痕剩余厚度的关系

但刻痕剩余厚度0.06 mm处出现了不同趋势，对该参数下破裂膜片的模态进行了分析研究，发现在该参数下的一阶屈曲模态如图10所示，与图6失稳前的变形分布有着显著不同，说明该参数下，结构的失稳形式发生了变化，从而影响到最终的失稳压力。

通过以上分析，初步确定了破裂膜片的结构参数，如表2所示。

图10 刻痕剩余厚度0.06 mm时膜片的一阶屈曲模态

表2 破裂膜片结构参数 mm

3 试验研究

以仿真结果为基础，开展了破裂膜片的加工及试验验证工作，为了保证产品的加工进度及一致性，采用激光刻蚀的方法。增压速率对破裂膜片打开压力有一定的影响，为了保证试验的可靠性，选择缓慢增压的方式，选用自动化压力试验系统[11-13]。试验原理如图11所示，包括气源、压力控制及记录设备、破裂膜片安装法兰等。

图11 破裂膜片打开前后状态

对该形破裂膜片开展了常温状态下的打开压力试验。破裂膜片在加压过程，起拱侧压力逐渐增加，在增加到一定程度时，结构发生屈曲失稳，在失稳的同时，膜片迅速翻转，在翻转过程，破裂膜片在刻痕位置扯开，形成泄漏通道，实现导通的目的。图12给出了打开前后破裂膜片的状态，表3给出了试验结果。

图12 破裂膜片试验装置示意图

表3 破裂膜片打开压力试验结果 MPa

试验结果显示，90 mm通径破裂膜片正向打开压力在0.40 MPa左右，反向极限压力均大于2.0 MPa，具有良好的反向承压能力。

根据试验结果，结合图6缺陷因子对打开压力的影响趋势，认为该结构在选取缺陷因子0.05时，仿真结果与试验结果最为接近。根据分析及试验情况，同类型反拱带槽形破裂膜片在进行非线性稳定性分析时，推荐缺陷因子0.05。

将缺陷因子在0.05时的分析结果与试验结果进行了对比分析，对比数据见表4所示。

表4 仿真结果与试验结果数据对比

以上对比数据显示，仿真结果与试验结果的误差在5%左右，结果具有很高的可信度。非线性稳定性的计算方法可以较好预示反拱形破裂膜片的打开压力，可以作为产品设计、分析的依据。

4 结论

对反拱形破裂膜片开展了仿真分析工作，研究了缺陷因子、主要结构参数对打开压力的影响。同时开展了试验验证工作，主要结论如下：

(1) 采用非线性稳定性分析的方法，可实现对反拱形破裂膜片打开压力仿真分析，误差不超过5%。对同类型、相似规格的破裂膜片产品在进行非线性温度性分析时，推荐缺陷因子0.05;

(2) 破裂膜片的打开压力主要与拱高、膜片厚度、刻痕剩余厚度相关，在一定范围内，随着拱高、膜片厚度的增加，打开压力线性增加，在一定范围内，刻痕剩余厚度越大，打开压力越高，但剩余厚度超过该范围时，会导致破裂膜片的模态发生变化，因此变形方式方法变化，将导致打开压力的突变。