【摘 要】
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含筋薄壁结构广泛应用于航天领域,是重型运载火箭的主要承载骨架,其装配质量直接决定航天产品的可靠性。含筋薄壁结构一般需经过铣削和滚弯两道制造工序。铣削后含筋板复杂的残余内应力场使其发生严重的翘曲变形。滚弯过程受铣削残余应力及含筋板各向异性特征影响,难以精准控制壁板的滚弯半径。板与筋存在刚度差异,重型运载火箭尺寸的增大使含筋薄壁结构的几何非线性变形更为明显,难以进行含筋板结构的装配偏差分析。建立准确描
【基金项目】
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国家自然科学基金“超大薄壁结构装配偏差场传播的精确预测与偏差源诊断”(课题编号:51775345);
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含筋薄壁结构广泛应用于航天领域,是重型运载火箭的主要承载骨架,其装配质量直接决定航天产品的可靠性。含筋薄壁结构一般需经过铣削和滚弯两道制造工序。铣削后含筋板复杂的残余内应力场使其发生严重的翘曲变形。滚弯过程受铣削残余应力及含筋板各向异性特征影响,难以精准控制壁板的滚弯半径。板与筋存在刚度差异,重型运载火箭尺寸的增大使含筋薄壁结构的几何非线性变形更为明显,难以进行含筋板结构的装配偏差分析。建立准确描述大尺度薄壁结构旋转大变形问题的含筋板模型,预测制造过程带来的初始偏差,探究初始制造偏差与装配偏差之间的关联关系,对提升重型运载火箭筒段装配质量及生产效率具有重要意义。本文针对含筋薄壁结构制造偏差表征与装配偏差精确计算问题,基于绝对节点坐标法提出了适用于含筋板建模的新型板/板复合单元模型,解决了翘曲变形下常规复合单元板筋分离或穿透的问题。通过数值分析方法研究了含筋板铣削加工和滚弯成形带来的初始制造偏差。根据变形协调条件建立了含筋板装配偏差模型,构建了筒段封闭结构装配偏差传递模型,并提出了针对筒段封闭结构的装配质量评价指标。基于新模型模拟了重型运载火箭筒段装配过程,与数值分析结果的对比验证了本文方法的准确性。主要研究内容如下:(1)基于绝对节点坐标法建立含筋板结构板/板复合单元针对现有板/梁复合单元在大翘曲变形下出现的板筋分离或穿透问题,根据变形协调及四节点耦合条件建立了可描述含筋板变形的新型板/板复合单元模型。基于非线性连续介质力学理论,推导新单元的刚度矩阵和质量矩阵。数值仿真验证了板/板单元模型的收敛性及准确性,分析了加强筋尺寸及数量对新单元性能的影响。(2)含筋薄壁结构初始制造偏差定义与计算通过数值方法分析了含筋板结构铣削加工与滚弯成形后的变形状态与偏差分布。基于含筋板经铣削和滚弯后的应力及变形状态,分析了翘曲与弯曲变形的出现机制。针对含筋板的典型变形,定义了含筋板结构的典型初始制造偏差。利用特征点坐标拟合响应面方程,获得初始制造偏差值,为定量研究装配偏差传递规律提供了条件。(3)含筋薄壁结构变形协调及装配偏差计算方法基于新型板/板复合单元模型对含筋薄壁结构进行单元离散,推导了装配体的广义外力及刚度矩阵。采用准静态假设,将含筋板结构装配简化为校形-回弹过程。根据变形协调条件计算装配体在校形内应力作用下的回弹变形,建立了含筋板装配过程的偏差传递模型,定量分析了不同初始制造偏差下的含筋板装配偏差的变化规律。(4)重型运载火箭筒段封闭结构装配偏差分析在含筋板结构偏差传递分析方法基础上,进一步发展了筒段封闭结构的装配偏差模型。针对筒段结构的几何特征,提出了封闭结构装配质量的评价指标。针对重型运载火箭筒段装配过程,研究了含筋板初始制造偏差形式及大小、壁板尺寸和装配顺序等因素对筒段装配质量的影响。仿真结果验证了筒段封闭结构装配偏差模型的准确性。本文提出了一种描述含筋板制造偏差与筒段封闭结构装配偏差关系的装配偏差计算方法,为未来重型火箭筒段装配偏差的预测与控制提供理论基础和指导方案。
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