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第五章推进剂贮箱设计5.1贮箱的功能与要求5.2贮箱的分类与结构形式5.3受力式贮箱结构分析5.45.4贮箱的容积和外形尺寸的确定贮箱的容积和外形尺寸的确定5.55.5贮箱体的强度分析贮箱体的强度分析5.65.6贮箱体其它结构的构造设计贮箱体其它结构的构造设计5.75.7贮箱的强度验算及试验贮箱的强度验算及试验510所为各种卫星生产的高压气瓶航天飞机外挂推进剂贮箱5.15.1贮箱的功能与设计要求贮箱的功能与设计要求一、贮箱的功用及组成①盛放推进剂；②保持弹体完整外形；③连接前后部件，使导弹具有一定的气动力特性；④参加总体受力，并承受内压作用；⑤可安装部分控制元件、遥测元件及其它元件等。1.1.功能功能2.2.组成组成箱体：箱体：筒段和前、后底焊接成整体的筒形密封容器箱裙：箱裙：箱体和相邻段的连接段，一般称做贮箱的前、后短壳。参加总体受力。附件：附件：管路、活门、防晃装置、防漩装置供/取液装置、液位指示器1液位指示器2,6箱裙3,5箱底4筒段二、对贮箱的设计要求二、对贮箱的设计要求①有足够的容积，以贮存足够数量的推进剂；②材料和结构型式满足推进剂和增压气体物理、化学性能要求；③布局合理；④结构质量小；⑤具有防晃、防漩、防塌及对增压气流消能等能力；⑥低温贮箱的结构应有可靠的绝热系统；⑦使用时必须安全可靠、维护方便。保证各种飞行情况下，包括出现负过载时，推进剂都能正常地、连续不断地输送出来；在各种工作情况下，都能消除推进剂中夹杂的气泡；推进剂放泄后，保证其剩余量为最小；供液装置应满足推进剂对它的物理、化学性能要求；结构简单，工作安全可靠。三、供液装置设计要求三、供液装置设计要求5.25.2贮箱的分类与结构形式贮箱的分类与结构形式①按推进剂输送系统的不同，可分为挤压式挤压式和泵压式泵压式②是否参与弹体总体受力，可分为受力式受力式和非受力式非受力式③按几何形状，分为圆筒形圆筒形、截圆锥形截圆锥形、球形球形、环形环形及组合形及组合形④按结构布局可分为四底式四底式、共底式共底式、双层底式双层底式、同同轴式轴式等。⑤按增压气体与燃料是否直接接触，可分为直接增压直接增压式式和间接增压式间接增压式贮箱；5.3 5.3 受力式贮箱结构分析受力式贮箱结构分析一、基本组成（图）筒段、前后底、前后短壳、附件筒段、前后底、前后短壳、附件二、受力式贮箱的结构形式1.筒段11））光滑筒式结构光滑筒式结构22））网格式结构网格式结构33））带纵向加强肋式整体结构带纵向加强肋式整体结构2.贮箱底形状的选择（图）球形底球形底，，椭球形底椭球形底，，圆弧组合底圆弧组合底3.箱底的结构型式（图）整体式，组合式整体式，组合式4、贮箱的短壳①短壳与贮箱体的受载情况是不同的，短壳不承受内压作用，只承受轴压、弯矩和剪力。特点：特点：②短壳的蒙皮厚度可按短筒壳失稳条件确定③加强元件可布置在蒙皮里面，也可布置在外面5、贮箱附件加注、泄出活门和推进剂输送管路；液面指示器、溢出管和测温传感器；降压管路和安全活门；防晃装置；防漩装置；隧道管和补偿器；贮箱的舱口、管嘴和法兰盘。（1）改善控制系统（2）改变自振频率：改变液体晃动频率；增大阻尼；减小晃动质量。（3）采用机械的防晃障板常见防晃措施◆环板◆锥截面环◆十字形板条◆非对称扇形障板环形障板防漩、防塌设计的基本原理◆分散并减弱漩涡能量，如叶片状隔板，就可以减弱局部漩涡速度，其本身提供阻尼；◆通过增加流体之间干扰来减弱漩涡能量，如在防漩涡隔板上分布一定大小的孔，这样会引起二次流动，从而耗散给定旋转方向的漩涡强度；◆改变流道的几何形状以减小轴向流速梯度，如流出口上方安放圆板或倒锥体，这是防止液面下陷的有效方法。常用的防漩装置◆分隔式障板◆倒锥体防漩器（如右图）◆二次扰流型十字隔板◆圆形堵盖式防塌板◆蝶形防漩装置三、贮箱的载荷（设计载荷）p=(p0+nxhρg)fp—贮箱的设计压力；p0—增压的剩余压力；pm=nxhρg为液柱压力；nx—为导弹的X轴向过载；h—液面至计算处的高度；ρ—为燃料的密度；g—重力加速度；f—安全系数。5.45.4贮箱的容积和外形尺寸的确定贮箱的容积和外形尺寸的确定贮箱的容积:V＝Vf+Va+VgVf—燃料组元所占的容积Va—贮箱内附件所占的容积Vg—贮箱内气枕所占的容积一、燃料组元的容积Vfmf＝me+msme—发动机工作消耗的质量ms—安全储备质量，初步设计时，mmss=(2~5)%=(2~5)%mmee1）不能用尽2）混合比误差3）飞行时间误差mmff==(1.02~1.05(1.02~1.05)m)meettVf=mf/ρ二、贮箱中附件所占的容积VaVVaa=(1~3)%V=(1~3)%Vff类比统计三、气枕的容积VgTmaxp0pmaxT0Vf△Vf△Vf=Vfαf(Tmax-T0)在规定的最高使用温度下，气枕的容积应保证贮箱内的压力不超过规定的压力P0一充灌时空气压力（绝对压力）；Vg一充满结束留下的空气枕容积；γ一气垫气体的摩尔数；R—气体状态常数(R=8.31J/(mol.K))pmax一温度上升到Tmax时，空气枕的最大允许压力VVgg==VVffααff((TTmaxmax--TT00)/[1)/[1--PP00TTmaxmax//TT00ppmaxmax]]P0Vg=γRT0pmax(Vg-△Vf)=γRTmax空气状态方程：四、贮箱外形尺寸的确定（1）贮箱的直径贮箱的外径＝导弹直径贮箱的外径＝导弹直径（2）贮箱的长度V＝Vcyl+Vbott1+Vbott2＝Vc＋2VbVc=(π/4)D2LcVb＝(π/6)D2H＝2/(3m)πR3L＝Lc+2HLc－圆筒段长度D－内径（D＝2R）Vb－椭球底的容积m－椭球率（m=R/H）H－椭球底的高度Vb1Vb2Vc5.55.5贮箱的强度分析贮箱的强度分析一、贮箱的稳定性与圆筒壁厚的确定一、贮箱的稳定性与圆筒壁厚的确定MMMMNNNNQQQQPP经向（轴向）力为T1、环向力为T2和剪流为q当增压压力较小时，贮箱圆筒上的轴向力可能为轴向压力，从而导致圆筒段失稳。()122022xNMpRTRRTfpnhgRQqRππρπ⎛⎞=−±−⎜⎟⎝⎠=+=1、圆筒的失稳临界应力用半经验公式：crpEkRδσ=E:贮箱材料弹性模量Kp：稳定系数受力式贮箱轴向承载能力：22crTRRpπδσπ=+()3/268310Rpδ−=×0.256,0.18pkkpk=+=2、稳定系数的确定：2pRpEδ⎛⎞=⎜⎟⎝⎠3、影响贮箱圆筒稳定性的其它因素：如果筒壁凹凸不平则失稳临界应力会下降，若筒壁凹凸等于或大于壁厚时，失稳临界应力大约下降1/3~1/2;此外，初始缺陷（加工问题或材料瑕疵）的影响随着壳体的相对厚度（δ/R）的减小而增大。4、提高圆筒稳定性的方法：1）采用加筋结构；2）采用高弹性模量的材料；3）适当提高贮箱的增压压力。crpEkRδσ=但是，增压压力的增大会引起圆筒的环向内力增加上述内容为已知圆筒段材料、结构尺寸和增压剩余压力的条件下，如何分析圆筒承受轴向载荷的稳定性问题0222NMfpRRRππ≥+()()()0022xiicbbxpnhgfDpDppnhgρδσϕσϕρ+≥=⎡⎤−−+⎣⎦5、圆筒段壁厚的计算确定允许的增压压力确定内压力引起的环向拉应力0(xRpnhgfθσρδ=+)考虑焊缝影响的贮箱圆筒段壁厚第三强度理论1222NMpRTRRππ⎛⎞=−±−⎜⎟⎝⎠p=p=((pp00+n+nxxhhρρgg))ff内压力的设计载荷内压力的设计载荷椭球形底的经线方程：xx22//RR22++yy22//HH22=1=1经线的曲率半径为:RR11=[=[RR44--xx22((RR22--HH22)])]3/23/2/(/(HRHR44))纬线的曲率半径为:RR22=[=[RR44--xx22((RR22--HH22)])]1/21/2//HH二、贮箱箱底厚度的确定二、贮箱箱底厚度的确定根据无矩理论，得出22pRϕσδ＝221122pRRRθσδ⎛⎞−⎜⎟⎝⎠＝经向应力表达式纬向应力表达式对于椭球壳的极点位置：x=04222222422222442221()22221()22()2pRxRHpRpRHHpRRRppRRxRHRHRxRHHϕθσδδδσδδδ−−==⎛⎞⎡⎤=−=−−−=⎜⎟⎢⎥−−⎣⎦⎝⎠＝xyRH对于椭球壳的赤道位置：x=R4222243422222422221()22221()22()2pRxRHpRpRHpRRpRpRpRRxRHRHRxRHHϕθσδδδσδδδδ−−==⎛⎞⎡⎤=−=−−−=−⎜⎟⎢⎥−−⎣⎦⎝⎠＝R1R2圆筒壳∞RpR/2δpR/δ球壳RRpR/2δpR/δ椭球“赤道”H2/RRpR/2δpR(2-m2)/2δ“极点”R2/HR2/HpRm/2δpRm/2δ圆筒壳、球壳和椭球壳的薄膜应力列表ϕσθσ极点厚度公式：按第三强度理论的强度条件：13bσσσ−≤径向应力环向或剪切2iRRδ=+213,02pRHϕσσσδ===222iibbpRpDppδσσ≥=−−Di：箱底直径p：设计内压力考虑焊缝影响的公式调整：针对不同椭球长短半径比的公式调整：222iibbpRpDkkppδσσ≥=−−222iibbpRpDkkppδσϕσϕ≥=−−形状系数m=2时，k=15.65.6贮箱体其它结构的构造设计贮箱体其它结构的构造设计一、贮箱圆筒段与箱底转接段的构造设计1.1.贮箱筒段与球形箱底连接段的受力分析贮箱筒段与球形箱底连接段的受力分析承受内压承受内压()()22210.5(2)212abpRpRREEpRREμμδδμδ⎧⎛⎞⎛⎞⎪⎟⎟⎪⎜⎜⎟⎟Δ=−=−⎪⎜⎜⎟⎟⎜⎜⎪⎟⎟⎜⎜⎝⎠⎝⎠⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎛⎞⎪⎟⎪⎜⎟Δ=−⎪⎜⎟⎪⎜⎟⎜⎝⎠⎪⎪⎩△△RRaa＞＞△△RRbb球底向外变形球底向外变形ttbb圆筒壳体向内变形圆筒壳体向内变形ttaa变形协调变形协调22、球底与筒段连接处的受力特点：、球底与筒段连接处的受力特点：①圆筒壳向内变形，周长缩短，引起环向压应力；②内压力作用下，圆筒壳将产生环向拉应力，因此圆筒壳的轴向应力没有增加，环向应力还有所降低；③球底环向应力有些增加，但低于圆筒壳的应力，有一定的强度储备，故设计时球底无需采取加强措施。33、椭球底与筒段连接处的特点：、椭球底与筒段连接处的特点：①a/b1.414时，靠近“赤道”区产生环向压应力；②可能在“赤道”区引起皱折。设计时应校核失稳的临界压应力应力分布特点应力分布特点2222crEpkabδ=−k：应力集中系数44、圆弧组合底与筒段连接处的特点：、圆弧组合底与筒段连接处的特点：①过渡段的失稳尚无精确计算公式②若赤道区的曲率半径ρ＝b2/a，并且a=Ra时：应力分布特点应力分布特点k：应力集中系数，取值为0.2~0.32121craaEpkRRδρ=−−1、常见焊接工艺的特点及要求①对接形式的焊缝主要承受拉、压力；②搭接形式的焊缝主要承受剪力；③对接焊缝比搭接焊缝受力形式好；④采用搭接熔焊和对焊时应增加圆筒段，避免曲率变化引起的弯矩，改善受力；⑤为保证气密性，采用平行的双焊缝；⑥两搭接件的厚度和材料尽可能相同，如有厚度不同，则厚度比不超1：3。二、箱底与箱体筒段及短壳的连接1）箱底与筒段对接，与短壳搭接。•具有良好的密封性，对接焊缝始终处于拉压状态，受力形式好；•箱底与短壳的搭接通过双排点焊，焊点始终受剪，力的传递差；•适用于轴向力较小的场合。2、贮箱圆筒段与箱底的连接形式2）箱底、筒段和短壳都焊在叉形环上。•结构简单、力的传递合理，贮箱密封性好，工艺方便；•叉形环为挤压型材框，能承受扁椭球底根部的压应力；•叉形环制造较为困难，质量较重。3）短壳与箱底搭接，与筒段对接。•轴向承载能力较高；•不适合高内压力贮箱；4）筒段与短壳为一体式结构，箱底搭焊于箱壁内侧•适用于小型导弹结构；•考虑到箱底在内压作用下的膨胀，留出一定间隙，避免碰撞引起的局部受力；三、贮箱裙的设计承载特点：①箱裙不承受内压，只承受轴压、弯矩和剪力；②受压状态下发