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1、大长细比燃烧室壳体静力试验分析 栗永峰阿尔迪 ( 中国航天科工集团第六研究院四十一所，呼和浩特0 1 0 0 1 0 ) 摘要：根据外栽荷要求和试验条件，提出了x ) H 大长细比壳体的静力诚验方法拳拒告对 试验方j 砉进行了阐述，对试验数据和试验结果进行了详细的分析，井与理论计算姑果进行了对比为 相似型号壳体的静力试验提供了参考 主题词：太长细比。壳体，静力试验，有限无 1 前言 根据弹总体提供的外载荷要求，通过对封头和燃烧室壳体组合后进行静力试验，以考核壳体在外 载荷条件下的承载能力试验后封头、壳体均无异常 2 试验要求和方法 2 1 试验产品状态 X X - B 封头选用钛台金( T C
2、 4 ) 壳体选用马氏体时效钢( T 2 5 0 ) 壳体最大工作压强2 4 M P a ，圆 筒段壁厚1 1 。总长1 7 4 8 ，外径由1 3 0 ，长细比为1 3 A 5 封头与壳体采用非标准锯齿形螺纹连接，壳体 与喷管采用键连接产品结构简图如图1 r K( 爹 ) )?、 二J # 蠹- D ， 圈7 试验产品结构示意图 2 2 试验要求 根据 X X - B 燃烧室壳体静力试验任务书，壳体须承受的最大外载荷为：轴压1 7 7 k N ，弯矩 2 6 6 5 N m ，剪力2 8 0 5 N 试验步骤为：轴压单项试验一剪切单项试验一轴压弯曲联合试验 2 1 3 试验方法 如图2 示，
3、封头一端的约束方式是按照弹总体给定的孔轴配合加侧面1 2 X M 5 沉头螺钉固定的结构 形式；壳体后端模拟壳体与喷管的环键连接形式轴压载荷作用在封头裙端面和壳体后端面，通过试 验工装由F 0 加载；剪切载荷作用在距封头裙端面1 4 7 0 r a m 处的Q 截面上；轴压弯曲载荷由F l 、F 2 麸同 作用 圈8 加载方法示意图 2 4 加载程序 轴压单项试验加载程序见表h 剪切单项试验加载程序见表2 ；轴压弯曲剪切联合试验加载程序见 表3 级别0 I I2 3 l5 载荷( k N ) ol7 o1 4 92 1 02 7 0I3 5 o 级别0I2 3456 78 剪力( b I )0
4、1 0 02 0 03 0 03 4 24 4 2 04 r 3 8 4 5 0 级别01234 5 6789 轴压( k N )0 5 7 09 始 l ，1 0】9 辨2 5 0 02 7 0 23 n 】O3 2 2 43 5 1 0 弯距( N m )08 4 71 4 8 32 2 柏2 9 6 8 3 7 1 44 0 1 4 “7 24 7 9 05 2 1 5 3 试验结果分析 3 1 轴压单项试验 简段测点壳体在轴压作用下，应力状态为单向： r 岛。酉 岛2 - f i s t 其中，T 一轴压载荷i E 一材料弹性模量； A 一圆筒横截面积； D 一筒体外径； d 一简体内
5、径； u 一材料泊松比 筒段测点应变数据随载荷的变化见图3 ，与计算结果的对比见表4 。 ( 1 ) ( 2 ) 2 ( ) 0 1 0 0 O 。- 1 0 0 雹蘑。-20。0 _ 4 0 0 螂 6 0 0 巨互童里夏至丕珂 蝴 圈9 筒段测点5 、1 2 的应变随轴压载荷的变化 载荷( 1 0 0 1 Ol I 91 1 o”o3 , 5 O 环向 计算结果( “) 2 75 78 01 0 31 3 3 应变 实测结果( uI )3 35 47 79 81 3 2 瓤点5 轴向 计算结果( po ) - 8 9 - l 盼 2 6 63 4 24 4 3 5 应变 实测结果( pI
6、) - 1 1 0 1 7 7 - 2 5 4- 3 1 8_ 4 船 环向 计算结果f pe ) 2 75 78 01 0 31 3 5 测点 应变 实测结果( pI 3 7 5 9蛄1 0 7 1 4 6 1 2 计算鳍果( pc ) - 9 91 8 9- 2 6 6 3 4 2 埘，5 轴向 应变 实测结果( pc ) - 1 2 71 9 7_ 2 8 13 5 3- 4 7 6 3 2 剪切单项试验 在剪切载荷下，不考虑圆筒变截面对挠度的影响，即假设圆筒段任一截面的轴惯性矩均相同壳 体的受力可以简化为一端固支的等截面悬臂粱，如图4 示： 剪力产生的挠度： 仁 P L 圈1 0 剪切
7、载荷作用下壳体受力简化模型示意图 一力( O x 口) - a ) ( 口x 三) 式中：P 一剪力： a 一加载点距封头裙端面的距离； x 一位移测点距封头裙端面的距离； L 一粱的总长： E 一弹性模量G P a ； I 一截面的轴惯性矩； 2 8 1 ( 3 ) 一锄膨 D 一壳体外径i n m ； d 一壳体内径r n m ； 筒段测点应变数据随载荷的变化见图5 按照公式( 3 ) ，可以求出不同载荷下测点3 的挠度( 位 移) 值。与实测值的对比结果见表5 可以看出随着载荷的增加，应变值呈线性变化，对称性较好， 符合受力特征 巨量匣三歪曼亘三三三匦三囤辅州 图1 1 测点“，1 1
8、、1 1 的应变随剪切载荷的变化 剪切载荷( 1 甜) 测点 位移值( m n ) 1 0 0 2 0 03 3 24 4 2 04 3 34 5 0 实测值 7 7 8 31 3 4 9 1 9 0 4 32 0 9 2 5 2 4 8 2 8 2 5 9 1 22 7 2 2 12 8 6 6 9 3 计算值8 6 6 41 7 3 2 72 5 9 9 l 2 9 6 3 03 4 6 5 53 6 3 盯37 9 4 73 8 9 s 7 从表5 中可以看出计算结果与实测结果有较大的差别，这主要是由于以下几个因素造成的：第一， 壳体本身是变截面的，其轴惯性矩并非处处相等导致实际的变形情
9、况与假设有一定差别；第二，测 试数据存在误差试验时位移计通过支架固定，没有专用的位移测试工装。在壳体变形后，位移计与 壳体之间发生滑动，造成测试数据有较大误差；第三，壳体是旋压成形，圆筒段壁厚不均匀；第四， 壳体材料常致例如弹性模量、泊松比的取值也会导致计算结果有一定的误差 3 3 轴压弯曲联合试验 轴压弯曲载荷下，不考虑圆筒变截面对挠度的影响，壳体的受力可以简化为一端固支的等截面悬 臂粱，承受偏心压缩载荷作用如图6 示 圈1 2 剪切载荷作用下尧体受力简化模型示意圈 图中，O A 一粱( 壳体) 的长度； O B 一粱( 壳体) 变形后工装间的距离； V l 一粱在中间截面上的挠度，即c D
10、 问的距离； v 2 一梁在A 端的挠度： a 一作用力的偏心距离，即轴压P 产生弯距M 的力臂： C F A O A B 的中位线。近似为C F = 0 5 A B = 0 5v 2 ： f 一试验中在测点2 测得的位移，即D E 间的距离，f = D E = D F c o se = ( C F - C D ) c o so = 2 8 2 珊m鲫哪棚皿。珊棚哪椰珊 - 1 甾 - ( 0 5v 2 - v I ) c o s0 弯距产生的挠度及转角： f 胁2 ；2 E ， 卜等 式中，v 一弯距产生的挠度； M 一弯距； 0 一弯距产生的转角 筒段测点应变数据随载荷的变化见图7 根据(
11、 4 ) 式可以计算出不同载荷下梁( 壳体) 的变形， 与试验测试值的比较见表6 - - y 以看出随着载荷的增加应变值呈线性变化，l 、和、象限对 称位置测点的应变值对称性较好符合受力特征 巨三至匠里夏亘里亘量亘亘至至至囵蝴 图1 3 测点“4 、1 1 、I l 的应变随轴压弯曲载荷的变化 载荷( 州) 5 ，7 09 9 S 1 5 1 0 1 9 9 82 5 0 02 7 j 0 2 3 0 l O3 2 2 4 3 5 1 0 v l2 0 8 43 6 4 85 5 27 3 0 39 1 3 89 8 7 71 1 0 0 31 1 7 8 51 2 3 3 v 28 3 3
12、41 4 5 9 22 2 0 7 82 9 2 1 43 6 5 5 43 9 5 0 74 4 o l l4 7 1 4，1 3 2 1 8 0 2 7 30 4 7 80 ，7 2 4 0 9 5 8 1 1 9 81 2 9 5 1 4 4 3 1 5 4 51 6 8 2 计算值 2 0 6 43 6 4 8 5 5 1 9 7 3 0 2 9 1 3 69 8 7 l O 9 9 9I I ，7 s l1 2 子巧 f 测试值 1 2 2 62 3 33 7 65 6 0 4 l6 9 7 37 8 5 68 3 7 99 1 9 6 3 4 轴压弯曲联合载荷下壳体稳定性分析 壳体
13、在弯矩作用下的失稳特性与轴压下相同， 烧室壳体的失稳临界轴压T c r 可按下式计算： L = 2 万七- E J 2 其中，T o t ：临界压缩力，k N ： k ：稳定系数，取0 3 ； E ：材料的弹性模量； 6 ：壁厚，m m ： 乏= 2 x - 七三= 4 1 6 0 1 7 斟 将试验中轴压弯剪载荷等效为轴向力： 因此可以将弯矩转化为纯轴向力来处理X X - 9 燃 2 8 3 ( 5 ) T D - - - - - T + 2 M R ( 6 ) 其中， T ：轴压，3 5 k N ； M ：弯矩。5 1 k N m l R 壳体半径，6 3 1 5 m m ； T D =
14、T 屹凰一1 9 9 6 2 3 k N 安全系数f = T c r ：r D = 4 1 6 0 1 7 1 9 9 6 2 3 = 2 0 8 4 。 试验过程中应变、位移都成较好的线性变化，说明壳体在试验载荷下仍处于弹性范围内。 4 有限元分析 为了更加真实的模拟壳体在剪切、轴压弯曲载荷下的变形和受力情况，对壳体和封头进行有限元 分析 4 1 建模 考虑载荷的不对称，采用三维模型，计算模型取一半将壳体、封头及试验工装连为一体 T c 4l g N i 4 5 钢 弹性模量( G P a )1 0 91 8 2 42 0 0 泊松比0 3 4 O 3O _ 3 4 。2 同格划分 切割计算
15、模型成规则的体，选择s o l i d l 8 6 实体单元进行网格划分为减少计算量，在壁厚方向取1 个单元。壳体、封头单元形状均为六面体，由于试验工装不规则按四面体单元划分见图8 4 3 约束和加载 4 3 1 剪切单项试验 在试验工装上箍加A L LD O F ，切割面上加对称约柬，在距封头裙端面1 4 7 0 r a m 处的卡箍上施加剪 力2 2 5 0 N ( 最大剪力4 5 0 ( 0 的一半) 4 3 2 压弯联合试验 在试验工装的夹紧板底部外侧，封头一侧旌加U X = 0 、U Y - - - - - 0 ，另一侧施加U Y = 0 ，切割面上加 对豫约束，在距旋转轴1 4 8 r a m 处的关键点上j 加轴向力1 7 5 5 0 N ( 最大轴压3 5 1 0 0 N 的一半) 4 4 计算结果 见图9 图1 5 所示 5 试验结论及建议 5 1 试验结论 通过试验测试结果与计算结果的对比充分说明，壳体能够满足弹总体提出的最大外载荷要求，试 验方法简单可行。 5 2 建设 试验数据和计算结果表明，轴压载荷下。壳体变形较小。但在剪切和弯曲载荷下。变形相对较大， 建议总体考虑外载荷下壳体变形对药柱结构完整性的影响。 躅“计算模型胃格捌分 霄1 5
