等张力钛膜片翻转特性研究

2019-08-30

化肥设计 2019年4期

(北京航天动力研究所，北京 100076)

航天动力系统中常使用金属膜片式贮箱作为推进剂贮存设备，较常见的金属膜片为类球形结构(见图1)。在某些动力系统中，由于贮箱在直径方向受制约，高度大于直径尺寸，球形结构的膜片式贮箱容积被直径所限，无法继续增大容积。本文提出等张力曲面的膜片设计思路，在球形膜片的基础上向高度方向延伸，改进后的膜片结构见图2。膜片表面全部为光滑弧段，与椭球形曲面不同，采用等张力曲面，可使膜片局部受力更为均匀，翻转过程易于控制。通过合理的翻转形式与其局部厚度设计，可以有效避免膜片在翻转过程中发生失稳与多边形褶皱[1-3]。

常规膜片翻转时通常有两种变形模式，即弧顶起始翻转与赤道起始翻转。弧顶起始翻转的膜片在曲面顶部首先出现凹陷，之后由凹陷部位逐渐向下翻转；赤道起始翻转膜片在赤道部位设置厚度较薄的预翻边，从此处开始发生变形，之后整体型面依次向下翻转。

图1 类球形膜片典型结构

图2 等张力曲面膜片典型结构

本文通过有限元软件对等张力曲面膜片的翻转过程进行仿真分析。通过模拟不同的膜片翻转形式，研究其对膜片翻转性能的影响，为等张力钛膜片的设计提供参考依据。

1 等张力膜片设计参数与有限元模型的建立

仿真分析时采用Mises屈服准则。等张力钛膜片所用钛合金材料经过拉伸试样的相关试验，实测抗拉强度为305 MPa，弹性模量为110 GPa，并根据实际拉伸试样采集数据，定义材料的真实应力-应变曲线。

仿真使用的膜片直径为100 mm，高度为70 mm。建模时，结构网格使用四节点四边形壳单元[4]。翻转时对膜片的边缘部位进行固支，膜片翻转时所受的载荷等效为作用在膜片外表面的单向压力。

膜片截面设计为光滑的等张力曲面，翻转前、后的高度尺寸大于膜片最大直径。建模时弧顶起翻的膜片截面为等张力曲面，不设置预翻边，在弧顶处厚度最薄，从弧顶到赤道固支处厚度逐渐增加；赤道设置预翻边的变厚度等张力膜片，在预翻边处厚度最薄，向弧顶逐渐增厚。最薄的部位刚度最小，由此处首先发生变形并起始翻转。赤道设置预翻边的等厚度等张力膜片，由于预翻边处直径最大，整体刚度在此处最低，因此也由此处发生初始翻转。

2 弧顶起始翻转等张力膜片有限元仿真结果及分析

对采取弧顶起始翻转的变壁厚等张力膜片进行有限元仿真分析，膜片的运动过程及应力分布云图见图3。由仿真结果可知，膜片变形部位周向没有预翻边的约束，翻转过程中膜片周向受力不均匀，起始翻转后不久，即因局部失稳而产生褶皱，沿膜片翻转变形部位的不规则褶皱呈现出多边形形貌。多边形的交汇尖点随翻转过程逐渐增多，膜片交汇尖点处应力水平较高，易导致膜片发生局部破裂，使贮箱液腔内的推进剂发生泄漏，造成贮箱结构破坏与功能失效。

在改变膜片局部厚度与厚度分布等参数后，翻转模式并无明显改善，膜片翻转部位仍会出现多边形褶皱，并在交汇处的尖端发生破坏。由此可知，顶部起始翻转的等张力膜片翻转过程不稳定，极易发生不对称变形，进而导致膜片产生褶皱而造成破坏。

图3 弧顶起始翻转的变厚度等张力膜片翻转过程仿真及应力分布云图

3 赤道起始翻转等张力膜片有限元仿真结果及分析

3.1 等厚度、等张力膜片仿真结果及分析

对采用赤道部位预翻边处起始翻转的等厚度、等张力膜片进行仿真，膜片翻转过程及应力分布云图见图4。由于膜片整体厚度相同，初始翻转时膜片弧面的变形较为平滑，但起始翻转后不久即发生不对称变形，膜片翻转部位出现倾斜，不与赤道平面平行，膜片不规则变形并“摆动式”向下方非均速翻转，翻转过程不稳定。虽然膜片能够完成翻转，但其翻转变形过程极不规律，使贮箱在排放推进剂的过程中质心变化不可控。

图4 赤道起始翻转的等厚度、等张力膜片翻转过程仿真及应力分布云图

3.2 变厚度等张力膜片仿真结果及分析

对采用赤道部位预翻边处起始翻转的变厚度等张力膜片进行仿真，膜片运动过程及应力分布云图见图5。膜片由赤道部位的预翻边发生初始变化，应力在此处开始集中，当此处应力超过材料屈服强度后，膜片开始翻转。通过仿真结果可知，当膜片单向所受压力大于0.1 MPa时，其在厚度最薄的预翻边部位发生不可逆的塑性变形。膜片翻转过程中所需的单向压力随其局部厚度的增加而逐渐增加，由0.1 MPa增加至0.3 MPa才能使膜片完成全部翻转运动。膜片在全部翻转过程中变形规律，型面光滑平整，翻转部位未发生褶皱与多边形。膜片完成翻转运动后整体所受应力较为均匀，不超过材料承受极限，可以保证膜片结构完好。