[发明专利]一种液体火箭椭球底圆柱贮箱壁厚优化设计模型

说明书

本发明提出一种液体火箭椭球底圆柱贮箱壁厚优化设计模型，应用该方法对椭球底圆柱贮箱壁厚进行优化设计，可有效减轻贮箱质量，优化贮箱应力分布，为液体火箭椭球底圆柱贮箱的工程设计提供参考。首先，在椭球底圆柱贮箱数学模型的基础上，确定贮箱壁厚参数，并对贮箱参数的影响进行分析，确定贮箱壁厚参数分布规律。其次，根据贮箱壁厚参数分布规律，结合安全系数建立贮箱壁厚优化设计模型。再次，根据贮箱的实际设计需求，确定贮箱质量与贮箱半径、椭球模数间的约束关系，以贮箱质量最小化为目标，对贮箱半径与椭球模数进行设计。最后，以某型火箭贮箱的设计参数为例，验证本发明提出的椭球底圆柱贮箱壁厚优化设计模型的有效性。

技术领域

本发明属于液体火箭结构设计领域，是一种液体火箭椭球底圆柱贮箱壁厚优化设计模型。

背景技术

贮箱不仅用来贮存约占液体火箭起飞质量90％的推进剂，而且是液体火箭重要的承力构件。贮箱结构的优化设计可以有效提高液体火箭的有效载荷运载能力，是发展重型运载火箭的关键技术之一。

国内外学者对贮箱结构的优化设计进行了广泛的研究，如新型设计理念的提出[Ilias G.Tapeinos,Sotiris Koussios,Roger M.Groves.Design and analysis of amulti-cell subscale tank for liquid hydrogen storage.International Journal ofHydrogen Energy,Vol.41,2016,pp.3676-3688.]，加筋结构的优化设计[11.X.W Fu,Sergio Ricci,Chiara Bisagni.Minimum-weight design for three dimensional wovencomposite stiffened panels using neural networks and genetic algorithms[J].Composite Structures,Vol.134,2015,pp.708-715.]，几何参数的优化设计[R.Talebitooti,M.H.Shojaeefard,S.Yarmohammadi Satri.Shape design optimizationof cylindrical tank using b-spline curves[J].Computers&Fluids,Vol.109,2015,pp.100-112.]等。

目前，贮箱壁厚的设计主要是根据工程手册及工程师的经验，并辅以有限元分析和地面测试而进行的，对贮箱壁厚优化设计的相关研究较少。A.S Fahmy[Ahmed ShamelFahmy,Amr Mohamed Khalil.Wall thickness variation effect on tank’s shapebehavior under critical harmonic settlement.Alexandria Engineering Journal,Vol.55,2016,pp.3205-3209.]采用简化方法研究了谐波沉降作用下，贮箱壁厚变化对贮箱壁屈曲模态的影响。M.Barski[M.Barski.Optimal design of shells against bucklingsubjected to combined loadings,Structural and Multidisciplinary Optimization,Vol.31,2006,pp.211-222.]考虑壳体的对在弯矩、剪力、轴向力和扭转力矩作用下，对双曲率壳体的形状和壁厚进行了优化设计，提高壳体的抗屈曲性能。但目前仍缺乏一种可靠的贮箱壁厚优化设计模型对贮箱的壁厚进行设计。本发明在椭球底圆柱贮箱应力分析的基础上，根据贮箱壁厚分布规律，结合安全系数提出了一种椭球底圆柱贮箱壁厚优化设计模型。

本发明的优势在于，可以在保证贮箱应力强度可靠性的前提下，根据椭球底圆柱贮箱的壁厚分布规律，对贮箱壁厚进行优化设计。结合某型火箭贮箱参数进行验证分析，结果表明依据本发明提出的模型，可有效减轻贮箱质量，优化贮箱应力分布，为液体火箭贮箱的工程设计提供参考。

发明内容