【摘要】：薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)是運(yùn)載火箭主承力柱殼中一類特殊的結(jié)構(gòu)形式,其剛度不連續(xù)的結(jié)構(gòu)特性引起削弱槽尖端應(yīng)力集中,極大地影響結(jié)構(gòu)承載能力。因此對(duì)該類局部易損薄壁柱殼的研究分析對(duì)彈箭體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和減重優(yōu)化具有重要意義。然而,一方面,該類薄壁結(jié)構(gòu)的剛度不連續(xù)特性導(dǎo)致其承載規(guī)律復(fù)雜,削弱槽尖端應(yīng)力集中的分析預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定困難,極大增加了彈箭體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與減重優(yōu)化難度;另一方面,由于削弱槽結(jié)構(gòu)尺寸過小且多為復(fù)雜曲面,現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)無法精確的獲得削弱槽尖端的應(yīng)力集中程度,從而無法將結(jié)構(gòu)的理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,制約了薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。因此,在目前航天結(jié)構(gòu)大直徑和大徑厚比設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)下,迫切需要建立一套面向薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中預(yù)測(cè)手段和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)高性能主承力結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)。此外,亟需發(fā)展一種可靠的削弱槽尖端應(yīng)力集中測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)在部段級(jí)/系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)中尖端應(yīng)力的全場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量,為該類結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)提供測(cè)量技術(shù)支撐。本文以薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,首先建立一種高效解析方法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)削弱槽尖端應(yīng)力在彈性和塑性階段的快速預(yù)測(cè);同時(shí)發(fā)展一種普適性的尖端應(yīng)力測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)削弱槽尖端應(yīng)力的實(shí)時(shí)測(cè)量。此外,圍繞運(yùn)載火箭級(jí)間線式分離環(huán)這一典型薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)的軸向承載/徑向易損設(shè)計(jì)矛盾,提出一種凸臺(tái)式線式分離環(huán)創(chuàng)新構(gòu)型,該構(gòu)型可在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)原有徑向易損性能的同時(shí),通過優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得更高的軸向承載能力。為實(shí)現(xiàn)上述研究目的,本文主要進(jìn)行了以下幾方面研究:在線彈性范圍內(nèi)的薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)理論研究中,以環(huán)向削弱槽柱殼結(jié)構(gòu)為代表,基于槽應(yīng)力理論討論了開槽結(jié)構(gòu)的彈性力學(xué)基本方程,并進(jìn)行了尖端應(yīng)力狀態(tài)分析。基于上述解析分析方法,考慮結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境中的非對(duì)稱載荷邊界條件,給出了薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)在偏心拉伸載荷下的應(yīng)力集中系數(shù)解析表達(dá)式。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)在偏心載荷作用下的零應(yīng)力集中現(xiàn)象,對(duì)高承載薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。面向?qū)嶋H工程應(yīng)用,給出了薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)零應(yīng)力集中近似設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在塑性范圍內(nèi)的薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)理論研究中,針對(duì)現(xiàn)有理論方法在集中應(yīng)力分析中的高復(fù)雜性和高耗時(shí)的問題,提出了一種尖端塑性集中應(yīng)力快速解析計(jì)算方法,并使用精細(xì)有限元模型對(duì)該解析方法進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。數(shù)值驗(yàn)證結(jié)果表明,本文建立的快速解析預(yù)測(cè)結(jié)果在彈性和塑性范圍內(nèi)均與精細(xì)有限元預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合,證明本文提出的尖端塑性應(yīng)力解析方法的有效性和適用性。針對(duì)缺乏薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)尖端應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的問題,本文提出了一種削弱槽尖端應(yīng)力的間接測(cè)量方法:基于削弱槽鄰域的可測(cè)量應(yīng)力,建立其與尖端應(yīng)力在彈性和塑性階段的定量解析關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)削弱槽尖端應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。精細(xì)有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的正確性和適用性,以DIC光測(cè)結(jié)果為基準(zhǔn),進(jìn)行了一系列單片級(jí)削弱槽試件的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的薄壁削弱槽尖端應(yīng)力間接測(cè)量方法可在實(shí)驗(yàn)過程中準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)尖端應(yīng)力,其測(cè)量結(jié)果與光測(cè)結(jié)果一致。圍繞線式分離環(huán)軸向承載/徑向易損強(qiáng)耦合性設(shè)計(jì)困難,本文提出…種凸臺(tái)式線式分離環(huán)創(chuàng)新構(gòu)型,利用結(jié)構(gòu)的偏心承載特點(diǎn),優(yōu)化鄰近結(jié)構(gòu)載荷傳力路線,在保證結(jié)構(gòu)徑向易損能力的前提下提升軸向承載能力。結(jié)合數(shù)值仿真與參數(shù)優(yōu)化方法,證明了本文提出的線式分離環(huán)創(chuàng)新構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)。此外,開展了一系原理性實(shí)驗(yàn)件的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn),并分別基于DIC測(cè)量技術(shù)和尖端應(yīng)力間接測(cè)量方法同步獲得傳統(tǒng)構(gòu)型與創(chuàng)新構(gòu)型的尖端應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計(jì)思路的正確性。
【圖文】：

式的要求也越來越高，不同的受載情況需要不同的結(jié)構(gòu)形式去滿足，這就造成了箭體主逡逑承力柱殼呈現(xiàn)諸多剛度不連續(xù)的易損結(jié)構(gòu)形式，如削弱槽、局部開孔、釘孔等結(jié)構(gòu)形式，逡逑如圖１．１所示。剛度不連續(xù)特征通常會(huì)引起薄壁結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)逡逑整體承載能力的大幅折減，從而給相應(yīng)的薄壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。因此，針對(duì)具有逡逑剛度不連續(xù)特征的薄壁結(jié)構(gòu)開展其應(yīng)力集中分析方法和測(cè)量技術(shù)研究，對(duì)大直徑重型運(yùn)逡逑載火箭的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。然而，，諸如削弱槽等典型剛度不連續(xù)細(xì)部結(jié)構(gòu)，其逡逑結(jié)構(gòu)形式和邊界條件通常十分復(fù)雜，導(dǎo)致薄壁結(jié)構(gòu)的承載規(guī)律不清晰，使得這類問題的逡逑解析分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)變得相當(dāng)困難。因此，目前鮮有面向薄壁削弱槽結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)方逡逑法或?qū)嶒?yàn)標(biāo)準(zhǔn)。逡逑ＩＬ．邐Ｌｏｃａｌ邋0ｐｅｎｉｎｓｓ逡逑Ａ邐邐邋邐邐＇逡逑ｉ逡逑１１—逡逑（：ａｎｄ邋ｇｒｏｏｖｅｓ逡逑？邐邐邐１逡逑圖１．１運(yùn)載火箭薄壁結(jié)構(gòu)的剛度不連續(xù)結(jié)構(gòu)特征逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ邋ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ邋ｉｎ邋ｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｉｎ邋ｌａｕｎｃｈ邋ｖｅｈｉｃｌｅｓ

即等效應(yīng)變能密度法（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ邋Ｓｔｒａｉｎ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｄｅｎｓｉｔｙ，ＥＳＥＤ）。進(jìn)一步的研究表逡逑明，Ｎｅｕｂｅｒ準(zhǔn)則和ＥＳＥＤ方法分別給出了削弱槽結(jié)構(gòu)尖端塑性應(yīng)力的理論下限和理論上逡逑限，如圖１．４所示。在１９７４年，Ｐｅｔｅｒｓｏｎ整理并匯總了彼時(shí)大多數(shù)關(guān)于削弱槽結(jié)構(gòu)特征逡逑－５－逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V414.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2656013