新一代运载火箭减载缓释机构设计研究

论文摘要

牵制缓释放技术是当前我国发展高可靠性运载火箭亟需攻克的关键技术之一。本文以我国新一代运载火箭牵制缓释放系统减载缓释机构研制为背景,对相关的接触问题有限元方法、接触问题形状设计灵敏度分析方法、减载缓释机构缓释特性实验测试方法、减载缓释机构形状优化设计方法、运载火箭牵制缓释放结构动力响应数值分析方法等问题进行了系统研究。全文主要研究工作如下:提出了二维多体有限变形弹塑性摩擦接触问题有限元分析的一种新算法。通过主动集策略和Mortar方法处理接触边线上的约束条件,在Mortar接触线元的切向和法向上采用相同的名义罚函数,采用基于名义罚函数的移动摩擦锥算法正则化接触约束条件,推导了相应的接触切线刚度矩阵和接触节点力表达式。文中算法继承了移动摩擦锥算法和Mortar方法的优点,表达式较简洁,便于编程实现。数值算例验证了算法的精度和有效性。提出了一种新的减载缓释机构设计方案,并初步设计出满足相关设计部门要求的减载缓释机构。采用本文接触算法,较系统地研究了减载缓释机构的缓释特性。分析了减载缓释机构的基本缓释过程,探讨了机械加工误差对缓释力位移曲线的影响,以及该曲线的可调节性等性质。并对减载缓释机构的基本缓释特性进行了实验研究。提出了二维多体有限变形弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度分析的一种新解析算法。将本文接触算法中离散形式的控制方程对形状设计变量微分,得到了该路径相关问题一种新的解析形状设计灵敏度计算格式。其节点位移灵敏度方程在每个增量步可以直接求解。数值算例验证了算法的精度和有效性。与现有的二维多体摩擦接触问题形状设计灵敏度分析的解析算法相比,本文算法表达式较简洁,便于编程实现。提出了一种新的减载缓释机构形状优化设计方法,得到了一种优化的减载缓释机构。采用三次B样条曲线描述减载缓释机构套筒外壁几何形状,并以样条曲线型值点坐标为设计变量,减载缓释机构的缓释力位移曲线和目标曲线中有限个点的距离平方加权求和最小为优化目标,通过接触形状设计灵敏度算法计算优化目标函数对型值点坐标的灵敏度值,在此基础上实现了减载缓释机构的形状优化设计。采用数值模拟和实验方法对其缓释特性进行了研究。提出了一种运载火箭牵制缓释放过程结构动力响应数值分析的新方法。该方法充分发挥了有限元程序MSC.Patran/Nastran的场功能、分组分析功能和CBUSH1D单元的非线性位移载荷函数功能。实现了新一代运载火箭牵制缓释放结构动力响应的数值模拟分析,开展了减载缓释机构的缓释效能评估。总之,本文在新一代运载火箭减载缓释机构设计所涉及的理论和方法上取得了一定的进展,相关研究结果可为相关设计部门进行减载缓释机构设计提供有益参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 国外牵制缓释放技术研究进展
• 1.1.2 国内牵制缓释放技术研究进展
• 1.1.3 亟需解决的关键问题
• 1.2 接触问题有限元方法研究进展
• 1.3 接触问题设计灵敏度分析方法研究进展
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 二维多体摩擦接触问题的有限元方法
• 2.1 引言
• 2.2 接触体运动学
• 2.2.1 接触约束条件
• 2.2.2 接触离散化
• 2.3 法向接触探测方法
• 2.4 接触约束正则化方法
• 2.4.1 基于名义应力描述的库仑摩擦锥形式
• 2.4.2 基于名义罚函数移动摩擦锥的正则化方法
• 2.5 二维多体摩擦接触问题的接触虚功表达式
• 2.6 接触切线刚度矩阵和节点力矢量表达式
• 2.6.1 黏滞接触
• 2.6.2 滑移接触
• 2.7 二维多体摩擦接触问题的有限元列式
• 2.8 二维多体摩擦接触有限元程序的基本流程
• 2.9 算例及分析
• 2.9.1 Hertz 接触问题
• 2.9.2 二维轴对称大滑移接触问题
• 2.10 小结
• 第三章 新型减载缓释机构的初步设计研究
• 3.1 引言
• 3.2 新型减载缓释机构的基本设计方案研究
• 3.2.1 国内外减载缓释机构设计方案分析
• 3.2.2 新型减载缓释机构的基本设计方案
• 3.2.3 新型减载缓释机构的几何设计思想
• 3.2.4 新型减载缓释机构的材料选择思想
• 3.3 新型减载缓释机构的初步构型设计研究
• 3.3.1 材料力学性能测试
• 3.3.2 接触面摩擦系数测试
• 3.3.3 新型减载缓释机构的初步设计构型
• 3.4 初步构型减载缓释机构缓释特性的数值模拟研究
• 3.4.1 减载缓释机构的有限元模型
• 3.4.2 减载缓释分析的载荷及边界条件
• 3.4.3 数值计算方法
• 3.4.4 减载缓释的基本过程
• 3.4.5 机械加工误差影响分析
• 3.4.6 缓释特性可调节性分析
• 3.5 初步构型减载缓释机构缓释特性的实验研究
• 3.5.1 加工制造
• 3.5.2 实验概况
• 3.5.3 结果分析
• 3.5.4 组织检测
• 3.6 小结
• 第四章 二维多体摩擦接触问题的形状设计灵敏度分析方法
• 4.1 引言
• 4.2 总体节点位移灵敏度求解方程
• 4.3 摩擦接触子问题的灵敏度列式
• 4.3.1 黏滞接触
• 4.3.2 滑移接触
• 4.4 结构响应函数的灵敏度列式
• 4.5 二维多体接触形状设计灵敏度分析程序的基本流程
• 4.6 算例及分析
• 4.6.1 Hertz 接触问题的形状设计灵敏度分析
• 4.6.2 半球-圆柱摩擦接触问题的形状设计灵敏度分析
• 4.7 小结
• 第五章 新型减载缓释机构的形状优化设计研究
• 5.1 引言
• 5.2 减载缓释机构形状优化设计的数学模型
• 5.3 减载缓释机构的形状优化设计
• 5.4 优化构型减载缓释机构缓释特性的数值模拟研究
• 5.5 优化构型减载缓释机构缓释特性的实验研究
• 5.5.1 加工制造
• 5.5.2 实验概况
• 5.5.3 结果分析
• 5.6 小结
• 第六章 新一代运载火箭牵制缓释放结构动力响应计算
• 6.1 引言
• 6.2 运载火箭和发射台三维有限元模型
• 6.2.1 运载火箭和发射台的几何构型
• 6.2.2 运载火箭和发射台有限元模型的建立
• 6.2.3 结构动力响应分析的载荷及边界条件
• 6.3 运载火箭牵制直接释放结构动力响应分析方法
• 6.4 运载火箭牵制缓释放结构动力响应分析方法
• 6.5 运载火箭牵制缓释放结构动力响应分析
• 6.5.1 直接释放和优化构型缓释机构缓释放结构动力响应对比分析
• 6.5.2 初步构型和优化构型缓释机构缓释放结构动力响应对比分析
• 6.6 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文的创新点
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录 修正国际经典文献和专著本构灵敏度推导的几处错误