大懸臂、高剛度異型發(fā)動機(jī)隔熱罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李添驕, 劉利明, 王 未， 曹 昱, 李澤琛, 姚瑞娟

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076； 2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076)

0 引言

上面級技術(shù)作為21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題，具有廣闊發(fā)展前景。作為“太空擺渡車”，它能夠進(jìn)一步將有效載荷從準(zhǔn)地球軌道送入預(yù)定工作軌道。在探月、探火等深空探測任務(wù)，軌道轉(zhuǎn)移、空間碎片清理等軌道服務(wù)和在新材料、新技術(shù)驗(yàn)證等空間試驗(yàn)領(lǐng)域具有重要作用。

發(fā)動機(jī)隔熱罩作為阻隔真空環(huán)境下發(fā)動機(jī)高溫?zé)崃鞯闹匾h(huán)節(jié)，具有重要研究意義。雙機(jī)并聯(lián)的發(fā)動機(jī)隔熱罩具有嚴(yán)格的模態(tài)振動頻率、剛度位移、質(zhì)量及真空環(huán)境防熱等要求。傳統(tǒng)的圓柱形殼段設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，由于質(zhì)量大、剛度小、防熱效果差，無法滿足發(fā)動機(jī)隔熱罩模態(tài)振動頻率要求[1]。本文通過優(yōu)化設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)形式的發(fā)動機(jī)隔熱罩，來探究發(fā)動機(jī)隔熱罩的1階振動頻率與發(fā)動機(jī)隔熱罩形狀之間的關(guān)系。

1 發(fā)動機(jī)隔熱罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

本文研制的發(fā)動機(jī)隔熱罩，主要作為上面級并聯(lián)雙發(fā)動機(jī)外側(cè)的隔熱裝置，其上端面通過螺栓與上面級組合儀器艙進(jìn)行連接，發(fā)動機(jī)隔熱罩本體套在并聯(lián)雙發(fā)動機(jī)的外側(cè)，發(fā)動機(jī)隔熱罩的下端面懸空，整個結(jié)構(gòu)是一個以發(fā)動機(jī)隔熱罩上端面為支點(diǎn)的大懸臂結(jié)構(gòu)。其主要功能是有效隔離上面級發(fā)動機(jī)的大熱流，并保證在上面級雙發(fā)動機(jī)工作時，模態(tài)振動頻率達(dá)標(biāo)，與雙發(fā)動機(jī)保持有效的間隙，不碰到發(fā)動機(jī)；同時，發(fā)動機(jī)隔熱罩需要為上面級提供良好的剛度支撐。發(fā)動機(jī)隔熱罩設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)為1階橫向頻率、質(zhì)量及強(qiáng)度、剛度應(yīng)滿足指標(biāo)要求。

發(fā)動機(jī)隔熱罩安裝示意如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)隔熱罩安裝示意圖Fig.1 Installation of heat shield structure

1.2 設(shè)計(jì)思路

由于發(fā)動機(jī)隔熱罩安裝于上面級雙機(jī)并聯(lián)的發(fā)動機(jī)外側(cè)，僅有上端面與組合儀器艙下端面的十字撐板連接，而雙機(jī)并聯(lián)的發(fā)動機(jī)型面復(fù)雜，組合儀器艙下端面的管路又比較多。因此，如何有效控制發(fā)動機(jī)隔熱罩的振動頻率，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)隔熱罩有效避開眾多管路及雙發(fā)動機(jī)，保證良好的剛度是本文研究重點(diǎn)。

航天系統(tǒng)對火箭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越趨于精細(xì)化和系統(tǒng)化[2-4]，拓?fù)鋬?yōu)化及有限元分析在航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。本文首先采用拓?fù)鋬?yōu)化方法獲得了結(jié)構(gòu)的初始外形，通過有限元分析軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步分析，針對分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次迭代獲得滿足要求的實(shí)際結(jié)構(gòu)，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和正確性[5-8]。

考慮到發(fā)動機(jī)隔熱罩需要避讓雙機(jī)并聯(lián)發(fā)動機(jī)及組合儀器艙的管路，因此，首先采用拓?fù)鋬?yōu)化方法獲得發(fā)動機(jī)隔熱罩的設(shè)計(jì)外形。優(yōu)化目標(biāo)為柔度最小，約束條件為質(zhì)量最小，邊界條件為在衛(wèi)星連接點(diǎn)處加載不考慮衛(wèi)星自身剛度的載荷，見式(1)[9-10]。

(1)

式中，V為材料用量;ρi為單元密度，是拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)變量；目標(biāo)函數(shù)UTKU表示整個系統(tǒng)的柔度最小。

根據(jù)上述優(yōu)化條件，獲得了初步的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，確定了如圖2所示的異型發(fā)動機(jī)隔熱罩基本構(gòu)型。該結(jié)構(gòu)整體呈循環(huán)對稱分布，上側(cè)為了避讓管路及雙發(fā)動機(jī)，采用桿系結(jié)構(gòu);下側(cè)為了有效阻隔上面級雙發(fā)動機(jī)工作時的大熱流，采用橢圓錐形的骨架結(jié)構(gòu)，并在骨架內(nèi)側(cè)敷設(shè)隔熱層。該結(jié)構(gòu)具有傳力直接、大懸臂條件下端面位移小，力分布均勻、變形協(xié)調(diào)等特點(diǎn)。

基于這個拓?fù)鋬?yōu)化的初步構(gòu)型進(jìn)行了簡單的靜力分析，分析模型如圖3所示，所得1階模態(tài)如圖4所示。

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化后的初始外形Fig.2 Initial shape after topology optimization

圖3 初步構(gòu)型有限元模型Fig.3 The finite element model of preliminary scheme

圖4 初步方案1階模態(tài)(21.4 Hz)Fig.4 First-order mode of preliminary scheme(21.4 Hz)

由圖4可見，1階模態(tài)值為21.4 Hz，模態(tài)值比較小，較易發(fā)生共振。因此，在與組合儀器艙連接的桿系處需增加連接桿子的數(shù)量，以增加邊界的連接剛度，從而增加1階模態(tài)振動頻率。基于上述分析結(jié)果，局部調(diào)整該結(jié)構(gòu)外形，在發(fā)動機(jī)隔熱罩和組合儀器艙下端面的十字撐板之間，由原有的4組桿系單元，左右各新增加了1組桿系單元，結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。針對新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)外形，重新進(jìn)行強(qiáng)度及頻率分析，獲得結(jié)構(gòu)的1階頻率為28.0 Hz，振型為發(fā)動機(jī)隔熱罩下端面的橫向振動。

圖5 局部加強(qiáng)后結(jié)構(gòu)外形圖Fig.5 Structural shape after local reinforcement

圖6 增加2組桿系后的1階模態(tài)圖(28.0 Hz)Fig.6 First-order mode after adding rods(28.0 Hz)

1.3 精細(xì)設(shè)計(jì)方案的確定及連接部位剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

從增加2組桿系后的1階模態(tài)圖(圖6)可見，1階模態(tài)值為28.0 Hz，較初步方案有所提高，但發(fā)動機(jī)隔熱罩下部骨架結(jié)構(gòu)中心部位的位移較大。因此，對該部位需要增加加強(qiáng)板，以提高骨架結(jié)構(gòu)的局部剛度。同時，為提高自由端的整體性及整體剛度，最終將隔熱罩下端面設(shè)計(jì)成花生形的精細(xì)異型結(jié)構(gòu)形式；為避免與發(fā)動機(jī)干涉、簡化總裝操作，桿系由6個單元減少為4個，精細(xì)設(shè)計(jì)方案如圖7所示。該結(jié)構(gòu)上部分采用桿系結(jié)構(gòu)，下部分采用骨架+隔熱層的結(jié)構(gòu)外形，具有很好的整體剛度和優(yōu)異的傳力性能。考慮到發(fā)動機(jī)隔熱罩與組合儀器艙下端面的傳力關(guān)系，增大連接部位的面積確保發(fā)動機(jī)隔熱罩與組合儀器艙下端面的可靠連接，桿系的局部加強(qiáng)接頭如圖8所示。最終精細(xì)設(shè)計(jì)后的發(fā)動機(jī)隔熱罩既保證了自身的剛度要求，又保證了與組合儀器艙下端面的連接節(jié)點(diǎn)，確保了連接剛度，在保證連接剛度的情況下，結(jié)構(gòu)傳力及受力更加均勻。

圖7 精細(xì)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)外形Fig.7 Structural shape of the exquisite design

圖8 精細(xì)設(shè)計(jì)方案桿系加強(qiáng)上下接頭Fig.8 Local reinforcement joints of exquisite design

2 仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真驗(yàn)證

針對最終確定的精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的有限元建模分析。上面級的載荷以軸向加速度及橫向加速度的形式加載在發(fā)動機(jī)隔熱罩上，有限元模型如圖9所示，頻率分析結(jié)果如圖10所示，應(yīng)力分布如圖11所示。

圖9 精細(xì)設(shè)計(jì)方案有限元模型Fig.9 The finite element model of exquisite design

圖10 精細(xì)設(shè)計(jì)方案1階模態(tài)(31.5 Hz)Fig.10 First-order mode of the exquisite design(31.5 Hz)

圖11 精細(xì)設(shè)計(jì)方案應(yīng)力分布云圖(應(yīng)力最大值296 MPa)Fig.11 Stress distribution of exquisite design (max stress 296 Mpa)

由圖10可見，隔熱罩的1階頻率為31.5 Hz，振型為發(fā)動機(jī)隔熱罩的橫向振動。由此可見，發(fā)動機(jī)隔熱罩整體振動比較均勻，頻率有所提升。由圖11可見，所有部位應(yīng)力趨于均勻，Mises應(yīng)力的最大值為296 MPa，出現(xiàn)在桿系與上接頭相接處，其余位置應(yīng)力值偏小。由此可見，改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)隔熱罩應(yīng)力分布非常均勻，證明了此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2.2 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果的對比分析及評估

對發(fā)動機(jī)隔熱罩產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行模態(tài)振動試驗(yàn)，試驗(yàn)中，發(fā)動機(jī)隔熱罩桿系上端連接到組合儀器艙下端面上，在發(fā)動機(jī)隔熱罩的下端框外圓處黏貼了1個測點(diǎn)(測點(diǎn)61)，如圖12所示，然后施加模態(tài)振動的激勵輸入條件。

圖12 模態(tài)試驗(yàn)的發(fā)動機(jī)隔熱罩上的測點(diǎn)Fig.12 Measurement point on engine heat shield

振動試驗(yàn)結(jié)果顯示，測點(diǎn)61監(jiān)測到的1階振動頻率為30.10 Hz，滿足上面級“發(fā)動機(jī)隔熱罩1階振動頻率大于25 Hz”要求，略低于有限元分析得到的31.5 Hz的1階模態(tài)振動頻率。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于發(fā)動機(jī)隔熱罩實(shí)際產(chǎn)品的骨架與隔熱層之間采用螺栓連接，而有限元分析中這些部位均采用了黏接，增加了發(fā)動機(jī)隔熱罩骨架與隔熱層之間的連接剛度。有限元模型與試驗(yàn)偏差在4.7%以內(nèi)，在工程允許范圍內(nèi)，仿真分析正確有效。

3 結(jié)論

本文首先采用優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，通過模態(tài)振動仿真分析，獲得了上面級發(fā)動機(jī)隔熱罩的初始外形，進(jìn)一步通過詳細(xì)的有限元分析軟件對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，獲得了一類大懸臂、高剛度異型發(fā)動機(jī)隔熱罩結(jié)構(gòu)形式，最后通過模態(tài)振動試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真分析設(shè)計(jì)的有效性，為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。