[发明专利]一种受限区域集中力扩散结构及其设计方法

说明书

一种受限区域集中力扩散结构及其设计方法，属于航空航天连接结构领域。该受限区域集中力扩散结构的材料分布呈轴对称三角形，其特征为该结构对称轴上有材料分布，且结构对称轴单侧具有两条明显的条带状材料分布，且外侧的材料分布更为粗壮；受限区域集中力扩散结构具有自下而上呈现出多层级分叉的特征。本发明面向集中力扩散问题，提出典型构件考虑结构刚度集中力扩散和稳定性多功能优化设计，构建了结合拓扑—形状—尺寸多层次技术框架，提出一种受限区域集中力扩散结构，实现受限空间内千吨级载荷的力与力矩解耦扩散。

技术领域

本发明涉及的是我国运载火箭连接结构，特别是针对承受千吨级捆绑集中力和轴压耦合作用、有特殊扩散效率要求而设计的受限区域集中力扩散结构，属于航空航天连接结构领域。

背景技术

针对新一代运载火箭CZ-5采用了助推点火传力结构，即助推前捆绑结构，发明人提出运载火箭典型受限区域集中力扩散结构，用于实现受限空间内千吨级载荷的力与力矩解耦扩散。具体来说，运载火箭起飞时刻，千吨级载荷要通过助推前捆绑结构传递给直径5米的芯级结构，这就造成了大直径运载火箭千吨级集中力载荷扩散难题，对于受限区域集中力扩散结构的设计挑战是前所未有的。

对于捆绑式火箭，芯级箭体在捆绑点附近承受巨大的集中力载荷，量级达到千吨级，且载荷作用点和芯级壳壁存在一定偏心，使得芯级壳体承受较大的附加弯矩。同时，芯级薄壁贮箱自身还承受内压，轴压、弯矩、剪力等载荷，如不采取合理的扩散措施，筒段处将产生较高的轴向压缩应力，此应力状态可能会导致薄壁结构提前屈曲，贮箱破坏。因此，在捆绑连接区域和箱体上必须设计特定的结构件来扩散所需传递的集中载荷，均匀化结构应力，削弱集中载荷对薄壁焊接贮箱的恶劣影响。

目前采用传统放射短壳壁板来解决集中力扩散问题。放射短壳结构以均匀网格加筋为主，在靠近捆绑集中力的局部区域布置扩散接头和扇状放射斜肋来达到扩散效果。扩散捆绑接头一般采用锻件，与短壳壁板铆接在一起。

发明内容

针对现有技术存在问题，本发明面向集中力扩散问题，提出典型构件考虑结构刚度集中力扩散和稳定性多功能优化设计，构建了结合拓扑—形状—尺寸多层次技术框架，最终提出一种受限区域集中力扩散结构，实现受限空间内千吨级载荷的力与力矩解耦扩散。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种受限区域集中力扩散结构为轴对称倒三角形结构，其中部设有对称轴，对称轴两侧设有条带状肋条，在对称轴与条带状肋条之间设有自下而上的多层级分叉结构。集中力作用在扩散结构底端，在顶端分散均匀，应用于运载火箭捆绑结构。

所述的受限区域集中力扩散结构的材料选用航天领域可焊性好的高强铝合金板材，为提高强度，板材做预拉伸处理。

一种受限区域集中力扩散结构的设计方法，包括以下步骤：

1)通过连续体结构拓扑优化方法，确定集中力扩散结构的最佳传力路径，确保结构基本刚度要求，提高集中力扩散效率，得到设计域内材料的主要分布形式，即该结构材料分布的初始设计。

2)基于该初始设计，以连续体结构拓扑优化方法中的拓扑特征提取得到的模型为初始构型，进行形状优化设计，其目的在于降低结构最大Von-Mises应力，削弱结构应力集中，保证结构强度要求，通过形状优化获得清晰的满足强度要求的轴对称倒三角形结构。

3)在步骤2)形状优化的基础上，考虑设计多个性能指标，给出最终确定的设计结构。

根据步骤2)得到的结构设计以及考虑多个性能指标的参数优化设计确定多层级分叉特征及轴对称倒三角形结构特征，具体为：以清晰结构设计的主要特征尺寸为变量，实现结构的参数化建模。以集中力扩散效率为目标，以结构最大应力、重量和稳定性为约束，进行参数优化，获得最优设计尺寸参数，最终完成受限区域集中力扩散结构设计。所述的主要特征尺寸为对称轴和肋条尺寸。