火箭径向连接孔精度对承载能力影响分析
2021-11-06安军申泽帆张启程郑学升
安军 申泽帆 张启程 郑学升
火箭径向连接孔精度对承载能力影响分析
安军 申泽帆 张启程 郑学升
(北京宇航系统工程研究所,北京,100076)
对火箭部段间径向连接进行受力分析,径向连接螺栓受剪切力及附加弯矩共同影响。对存在接触、摩擦和预紧等非线性因素的径向螺栓连接结构建立有限元分析方法,得到径向连接螺栓所受剪切力及附加弯矩。基于典型结构开展连接孔精度对承载能力的影响,获得不同对接孔精度下的承载能力,为火箭径向连接孔精度的选择提供工程设计依据。
火箭;径向连接螺栓;有限元建模;孔精度
0 引言
近年来,随着机械加工精度的提高,径向连接螺栓越来越广泛的被应用到运载火箭的部段间连接。相对于传统的轴向连接,径向连接具有操作简单、方便,连接部位结构质量小等优点[1-5]。另外,随着飞行马赫数的不断提高,为获得更优的气动和防隔热效果,火箭外表面要求尽量平滑,径向连接多采用沉头形式,如图1所示。火箭部段的轴向连接方式,连接螺栓主要受轴向拉力。径向连接方式,连接螺栓主要受剪切力和附加弯矩,传统的轴向连接力学分析方法已经不再适用径向连接的受力分析。王晓慧等[1]人采用有限元梁单元配和多点约束的建模方法开展导弹径向连接分析,其并未考虑火箭径向连接孔精度对承载能力的影响。考虑到径向连接对连接孔的精度更加敏感,要求也更高,有必要开展火箭径向连接孔精度对承载能力影响分析。
本文首先对火箭部段径向连接方式进行受力分析,得到径向连接螺栓的破坏方式。通过建立有限元模型分析连接孔精度对承载能力的影响,获得不同连接孔精度下典型结构的螺栓受载情况。
图1 运载火箭部段间径向连接示意图
1 受力分析
图2 径向连接沉头螺栓受力分析示意图
2 试验验证
为验证径向对接螺栓受剪切力作用下附加弯距的影响是否如上述分析述。设计螺栓单剪切试验,验证其破坏形貌。试验示意图如图3所示。
M8螺栓单向剪切试验预示见图4,试验结果如表1所示。
图3 单向剪切试验
图4 单向剪切试验预示
由图4可知,试验预示当剪切力为72kN时,螺栓出现两个高应力区(图4中A、B区域),应力超过1500MPa,A、B两区域均有可能出现断裂破坏,分别对应的破坏形式是光杆剪断和螺纹根部断裂。由表1试验结果可知,螺栓在剪切力为72kN左右发生破坏,3个样本中表现出两种破坏形貌。1#与3#试件为螺栓受剪切破坏;2#试件为螺栓受附加弯距导致螺纹根部破坏。有限元预示结果与试验结果一致性良好。由此验证了径向连接螺栓所受剪切力和附加弯距都有可能导致螺栓的破坏,实际工程分析中不能忽略附加弯矩对承载的影响。
表1 单剪试验结果
3 径向连接结构有限元分析
3.1 径向连接结构
火箭某部段对接面径向均匀分布48个M8径向对接螺栓,如图5所示。
3.2 有限元分析
图5 火箭径向连接结构
图6 有限元分析模型
4 连接孔精度对承载性能的影响
对于火箭部段间径向连接所采用的f10.2mm的孔,其孔精度如表2所示。根据公差尺寸取每个精度的上限作为有限元模型中的真实孔尺寸。如对于精度H12,有限元建模时几何模型的孔尺寸为10.38mm。
图7 对接螺栓1:1变形及主应力云图
表2 尺寸公差表
计算得到的最大受载螺栓与对接孔精度关系如图8所示。
图8 连接孔精度对螺栓承载影响
图8是基于对接面直径2m的结构得到的螺栓孔精度对螺栓承载的影响。由图8可知,对接孔精度在H9以下,螺栓所受的剪切力和附加弯矩随精度的降低而增加较大;对接孔精度在H9以上,螺栓所受的剪切力和附加弯矩随精度的降低而增加相对较小。实际工程应用中,考虑到装配、加工难度、周期、成本等影响因素,对于直径在2m左右的火箭部段对接,对接孔精度选择H9具有较高的性价比。
由图8可知,螺栓所受剪切力和附加弯距均随着对接孔精度的降低而变大,即承载能力下降。对接孔的精度要求下降后,会导致螺栓与部段之间的接触刚度分配不均,导致螺栓受载不均,从而使单个对接螺栓的承载变大,导致整个结构承载能力降低。图9给出了在对接孔精度为H6和H12情况下结构受载最大的五个对接螺栓的剪切力和附加弯矩。由图9可知,随着对接孔的精度的下降,螺栓受载不均匀性会更明显,单个对接螺栓的承载变大。
图9 连接孔精度对螺栓受载不均匀性的影响
上述分析表明,对接孔的精度要求越高,结构承载能力越强,但是实际工程中考虑到装配、加工难度、周期、成本等影响因素,对接孔的精度不可能无限提高。实际工程应用中,应根据截面载荷选择适合的精度,而不是一味的追求高精度。
5 结论
径向连接螺栓所受剪切力和附加弯距都有可能导致螺栓的破坏,实际工程分析中不能忽略附加弯矩对承载的影响。径向连接对接孔的精度越高,结构承载能力越强。实际工程应用中,综合考虑加工、装配难度、承载性能等因素,对于直径2m左右的火箭部段对接,对接孔精度选择H9具有较高的性价比。
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Analysis of Influence of Rocket Radial Connection Hole Precision on Bearing Capacity
AN Jun SHEN Ze-fan ZHANG Qi-cheng ZHENG Xue-sheng
(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)
The force analysis of the rocket radial bolt connection structure was researched. The research results show that the radial connecting bolt is affected by the shear force and additional bending moment. The modeling methods of the bolted connection structure, which contains nonlinear factors such as contact, friction and preload was studied. The shear force and additional bending moment was obtained. The impact of butt hole accuracy on load capacity based on typical was developed. The bearing capacity of bolts under different accuracy was obtained. The research results provide engineering design basis for the selection of the accuracy of the rocket radial connecting hole.
Launch vehicle; Radial connection bolt; Finite element modeling; Hole accuracy
V19
A
1006-3919(2021)04-0048-04
10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.04.008
2021-05-25;
2021-06-07
安军(1989—),男,工程师,研究方向:运载火箭结构及强度设计;(100076)北京市9200信箱10分箱.