整流罩作为保护有效载荷、维持弹箭体气动外形的重要组成部分,在运载火箭及大部分导弹(统称运载器)中广泛应用。当运载器摆脱大气环境干扰后,整流罩不再起作用,需要将其从运载器本体中分离出去。作为新一代大型运载火箭,CZ-5采用的整流罩尺寸规模更大,结构形式更复杂,同时分离动力也更大。此外,随着尺寸增大,整流罩的刚度越小,结构的变形对整流罩分离的影响越大。目前运载火箭整流罩的分离研究主要是面向中小型运载火箭整流罩分离的数值仿真、地面试验和计算流体动力学分析。然而在面向大型运载火箭的整流罩时,以往的分析手段难以考虑结构的变形对分离带来的影响,可能造成较大误差。基于此,本文面向我国新一代大型运载火箭CZ-5,从以下几个方面开展大型整流罩关键分离特性研究。(1)以往整流罩分离研究从未考虑铰链系统是否失效问题,而CZ-5增大了分离动力,铰链系统冲击的安全性问题关系到能否成功分离,必须要考虑。传统的整流罩铰链系统冲击模型是简化成刚体或准静态本构模型,分析结果不准确。为了获得准确的铰链系统冲击模型,本文首先通过冲击压缩试验获取铰链系统的组成材料ZTC4-1和30CrMnSiA(经热处理和未经热处理)在不同加载速率下的动态力学性能,并与准静态拉伸试验结果进行对比。试验结果表明,铰链系统的材料成分均为应变率敏感材料,且不同的加工工艺会影响材料的力学性能,热处理后材料的力学性能更佳。通过金相组织照片,解释了材料性能随应变率发生变化的原因。最后采用JC模型对试验数据进行拟合,建立了高应变率下铰链系统各材料的动态本构关系,与试验相比,拟合效果很好,说明JC模型能很好地表征材料的动态力学行为,为铰链系统自冲击有限元分析提供动态本构模型。(2)为了保证国内首次直径五米级大型运载火箭整流罩的安全分离,基于材料的动态力学性能试验及其拟合结果,本文对铰链系统的自冲击行为进行数值仿真研究。首先,通过显式动力学分析可得,CZ-5在分离动力作用下铰链系统自冲击行为呈现“先强后弱”的趋势,即运动早期碰撞激烈,后期碰撞呈现低速平稳状态,整个过程会使结构进入塑性,但变形量并不大,铰链系统仍然处于安全状态。其次,从内力角度分析可得,剪力和弯矩是铰链摆臂销轴在碰撞过程中的主要的内力形式。最后,通过比较准静态本构和动态本构下的计算结果,说明动态本构模型对于整流罩解锁问题更加准确,有利于提高预判整流罩分离成败的准确性。(3)在保证铰链系统自冲击安全的情况下,进一步研究CZ-5整流罩在大型分离动力作用下的分离特性。整流罩分离的传统分析方法不考虑结构的柔性,不能直接处理大规模的壳体运动,因此本文首先基于Lanczos方法对CZ-5整流罩进行模态分析及振型提取,分析结果表明CZ-5整流罩柔性较大,在分析整流罩分离特性时需要考虑,否则会造成较大误差。在建立准确的CZ-5整流罩有限元模型基础上,通过显式动力学分析进行整流罩的分离过程模拟仿真,结果表明整流罩在分离动力作用下能够成功分离,但分离过程中发生了较大的呼吸变形,最大收缩变形量接近了整流罩的包络空间上限。为了保证分离安全性,本文提出了一种含导向孔和载荷支架的弹簧组件新结构,对呼吸变形进行抑制。该结构通过弹簧顶杆与导向孔、载荷支架相互接触,达到局部刚度强化的目的,从而保证整流罩分离过程的呼吸变形在许可范围内,最后通过试验验证了新结构在控制整流罩呼吸变形方面的作用效果。(4)针对CZ-5大型整流罩地面分离试验的流固耦合问题进行了研究。对于整流罩地面分离这种大范围运动的流固耦合问题,流固耦合接触面时刻发生变化,传统的计算流体动力学(CFD)方法需要固定的流固耦合接触面,通常以迭代方式对流固耦合问题解耦,计算量大且精度不高。因此本文基于耦合欧拉拉格朗日法(CEL)对整流罩地面分离试验进行分析,将固体问题和流体问题同时求解。计算过程中采用弹簧能量折减法提出一个高效等效分析模型,该模型可以保证精度和效率相对平衡,由分析得到整流罩分离过程中的流场变化特性,并获得了 CZ-5大型分离试验的验证。综上,本文面向我国新一代大型运载火箭CZ-5,开展了大型整流罩关键分离特性研究,提出的分析方法均获得地面试验的验证,突破了大型整流罩设计、分析的瓶颈,解决了弹性整流罩在飞行过程中的呼吸变形预示及地面分离过程中的流固耦合分析难题,相关分析方法和流程已写入我国航天行业设计标准,对提高整流罩分离系统设计能力,提升整流罩分离特性预示精度均有重要作用。研究成果得到中国航天一院新一代运载火箭型号办公室的充分肯定:“关键分离参数与实测值误差在10%以内,对我国火箭整流罩设计意义重大”。