薄壁金属气囊设计及其充压特性研究

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随着科学技术发展,气囊在航空航天和军事领域的应用逐渐广泛。现有的气囊装置多为用于缓冲的柔性气囊,但除此以为,气囊也可以作为压力供给装置,通过膨胀对外做功将气体内能转换为机械能。高超声速飞行器在飞行过程中有多种变体或分离动作,例如助推器级间分离、整流罩分离等,具有作动速度快、低冲击、负载能力强等需求。基于上述背景,本文提出了用于高超声速变体飞行器分离触发的两种不同的金属气囊构型,通过力学解析、数值模拟等方法对金属气囊充压特性进行研究,分析了金属气囊的充压变形规律和作动能力,提供了金属气囊的设计依据。针对目前应用于高超声速变体飞行器的具体场合,根据分离方式的区别,提出初始结构分别为二维平面和环形弧面的两种典型薄壁金属气囊构型,分别根据其工作原理提出设计要求,并对设计分析方法展开论述。依据工况对多种不锈钢材料的性能进行对比,确定022Cr17Ni12Mo2作为薄壁金属气囊的制作材料,并根据环形金属气囊的结构特点设计了合理的焊接工艺方案。对平面式金属气囊进行了结构设计,提出三种具有典型几何特征的初始二维平面形状,并通过简化模型进行受力分析,推导出平面式金属气囊的充压形态应力分布,推导出气囊的有效推力面积。基于均匀压力模型对平面式金属气囊进行了有限元仿真分析,对比了不同初始二维形状的平面式金属气囊充压行为特性,结果表明曲边四边形的平面式气囊具有充压后应力分布均匀的优势,并且加入负载条件进一步验证了金属气囊的推力性能。对环形金属气囊进行了结构设计,针对薄壁金属气囊结构的受力特点,基于大塑性变形几何关系,对气囊膨胀非线性过程进行严格的力学解析,预测和分析环形金属外壁变形区域随均匀内部压力荷载产生的轮廓形状变化、应力应变分布以及承压能力,为气囊的承压强度提供理论依据。确立了流固耦合的动力学基本方程和边界条件,利用ADINA有限元分析软件对固体结构域和囊内流体分别建立有限元模型并求解。仿真结果揭示了高压气体流动与囊壁动力学响应的耦合机制,弥补了均匀压力法分析气囊充压性能的局限性,结果表明环形金属气囊结构设计合理,承压性能满足需求,同时囊壁应力和极顶位移沿环向分布较为均匀。
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