航天推进剂贮箱带防热涂层金属膜片的有限元计算方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天推进技术领域，涉及一种带防热涂层金属膜片的有限元计算方法。
【背景技术】
[0002]金属膜片贮箱是航天推进剂的主要方式之一，得到广泛的应用。推进剂通过金属膜片的翻转变形达到供给推进剂的目的，其中金属膜片的稳定翻转是关键问题。
[0003]金属膜片外侧是高温燃气、内侧是低温推进剂，为避免推进剂受高温燃气的热影响，在金属膜片外侧带有防热涂层。仅从涂层的防热效果来考虑，涂层越厚防热效果越好，但厚度单纯的增加，会给金属膜片的应用带来一些问题，如防热涂层在翻转过程中的力学行为未知、涂层的弹性模量、厚度对金属膜片变形刚度的影响等等。目前金属膜片的翻转通过试验或仿真完成，由于当前缺乏适当的试验和分析手段，防热涂层对膜片翻转的影响常常被忽略。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种航天推进剂贮箱带防热涂层金属膜片的有限元计算方法，对喷涂防热层的金属膜片的翻转过程进行模拟计算，具有操作简单，计算速度快、精度高等优点，能比较准确计算防热涂层对膜片翻转的影响，进而发现适当的涂层材料和喷涂厚度，提高金属膜片翻转的可靠性。
[0005]本发明采用的技术方案为:
[0006]本发明所提供航天推进剂贮箱带防热涂层金属膜片的有限元计算方法，其特殊之处在于:该方法依次包括以下步骤:
[0007]步骤A:基于仿真软件MARC进行金属膜片的参数化建模；
[0008]步骤B:对防热涂层分层建模；
[0009]步骤C:对金属膜片的边界条件进行设置，并在外表面施加翻转压力；
[0010]步骤D:对带防热涂层金属膜片的翻转过程采用迭代法进行非线性大变形分析。
[0011]步骤E:对防热涂层金属膜片的变形和应力进行分析，按节点导出金属膜片产生的变形和应力，供后续分析工具应用。
[0012]以上为本发明的基本构思，基于该基本构思，本发明还做出以下优化限定:
[0013]步骤A具体包括以下步骤:
[0014]Al:将金属膜片按照母线形状建立几何模型；
[0015]A2:将金属膜片母线旋转成旋转壳体，划分为壳单元网格；
[0016]A3:将各壳单元按照膜片的设计要求设置为相应的厚度，保证相邻的单元光滑过渡；
[0017]A4:将金属膜片的弹性模量、泊松比、应力应变关系曲线赋予膜片单元;其中A3-A4互换的影响不大。
[0018]步骤B包括以下步骤:
[0019]B1:按照防热涂层的涂层数在金属膜片的单元基础上建立涂层单元；
[0020]B2:将防热涂层各层对应的厚度赋予涂层单元；
[0021]B3:将防热涂层隔层对应的弹性模量、泊松比、应力应变关系曲线赋予涂层单元；其中B2-B3互换的影响不大。
[0022]步骤C包括以下步骤:
[0023]Cl:选择金属膜片的预弯边边线为固定边界；
[0024]C2:将金属膜片的单元外法线调整为统一的外表面；
[0025]C3:将翻转压力沿外法线施加到防热涂层单元表面。
[0026]步骤D包括以下步骤:
[0027]Dl:根据单元特点自动设置计算步长，保证正确收敛性；
[0028]D2:设置Newton-Raphson方法进行非线性大变形分析。
[0029]步骤E包括以下步骤:
[0030]El:读取并输出膜片的变形与应力数据；
[0031 ] E2:读取并输出各涂层的变形与应力数据；
[0032]E3:根据膜片的强度条件判断膜片是否有局部发生破裂现象；
[0033]E4:根据各涂层的强度条件判断是否有涂层发生破裂现象；
[0034]E5:将金属膜片各节点的变形按照固定格式输出，供后续分析工具应用。
[0035]本发明对翻转过程采用Newton-Raphson方法进行非线性大变形分析，Newton-Raphson方法与直接迭代法、增量法相比较，Newton-Raphson方法在膜片翻转计算过程中具有较高的计算精度、较快的收敛速度和结果稳定性。
[0036]本发明与现有技术相比，优点是:
[0037]1、本发明是基于仿真软件MARC利用非线性有限元方法对航天推进剂贮箱带防热层的金属膜片翻转过程进行模拟仿真，具体是通过金属膜片外侧涂层的层数、厚度、材料特性等各种不同组合建立带防热涂层的金属膜片计算模型，获得分析防热涂层对金属膜片翻转的关键参数影响的计算方法。非线性有限元方法对大变形非线性、材料非线性问题具有极大的适应性和灵活性，能比较准确地计算带有防热涂层的金属膜片的翻转过程，进而预测防热涂层的材料特性和厚度对金属膜片翻转的可靠性的影响。本发明解决了目前试验和仿真手段尚不能分析防热涂层对金属膜片翻转的影响的难题。
[0038]2、本发明是基于非线性有限元方法，利用MARC软件对航天推进剂贮箱带防热涂层金属膜片翻转过程进行模拟，所剖分的单元规则，且准确模拟各防热涂层、膜片的各部分厚度和材料，所得结果较为精确。
[0039]3、本发明适用于带防热涂层的轴对称型金属膜片翻转过程的研究，也适用于其他含加强筋的带防热涂层轴对称型金属膜片翻转过程的研究。
【附图说明】
[0040]图1是本发明的处理流程图；
[0041 ]图2金属膜片模型结构示意图；
[0042]图3金属膜片剖分示意图；
[0043]图4A金属膜片防热涂层结构示意图，图4B为图4A的A处放大图；
[0044]图5金属膜片防热涂层部分剖分示意图；
[0045]图6带防热涂层金属膜片变形云图；
[0046]图7金属膜片贮箱的容积变化曲线图；
[0047]图8涂层厚度与金属膜片翻转临界压力关系曲线图；
[0048]图9涂层弹性模量与金属膜片翻转临界压力关系曲线图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0050]实施例
[0051 ]以某带防热涂层的赤道圆型金属膜片为例进行说明。
[0052]图1所示为本发明带防热涂层金属膜片的有限元计算方法的流程图，该方法依次包括以下步骤:
[0053]步骤A:基于仿真软件MARC进行金属膜片的参数化建模；