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衛(wèi)星推進劑貯箱是衛(wèi)星中的重要部件之一，其工作過程中火箭發(fā)射時強烈的振動及隨后的入軌、調(diào)姿，加上內(nèi)部充滿大量的推進劑及高壓氣體，造成了貯箱的復雜力學環(huán)境。因此，必須對推進劑貯箱進行有限元分析來合理的優(yōu)化設(shè)計，以滿足貯箱的壽命、安全性要求。
進入上世紀20年代以來，各國的航天工業(yè)都向著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，衛(wèi)星的生產(chǎn)也趨于小型化和系列化。通過對國外貯箱的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國外貯箱的殼體厚度都比我國的薄。而在國內(nèi)，有關(guān)這方面的研究工作開展的并不多，在安全系數(shù)選取上一般偏于保守，生產(chǎn)出來的貯箱質(zhì)量也較重。為了發(fā)展更輕型的貯箱，提高有效載荷，有必要對貯箱殼體進行設(shè)計優(yōu)化。在對貯箱進行強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，就要用到有限元分析的方法。
采用STUT有限元分析軟件對現(xiàn)有的一個貯箱進行建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
從圖中可以看出改進后貯箱在工作壓力下應(yīng)力最大，它的變形量橫向為縱向，滿足設(shè)計要求。優(yōu)化后的貯箱尺寸分布為半球壁厚柱段壁厚。質(zhì)量比原來貯箱設(shè)計減輕+比實際加工貯箱質(zhì)量則減輕。
圖中可以看出，改進后貯箱殼體在爆破壓力下的最大應(yīng)力為892，發(fā)生在上半球與支撐裙的連接處。貯箱整體的應(yīng)力狀態(tài)分布比較均勻，滿足等應(yīng)力設(shè)計的思想。加上焊縫的因素及液體的質(zhì)量因素，貯箱在爆破壓力下應(yīng)力不會大于894，滿足強度要求。
選取貯箱有限元模型上的結(jié)點，分析向位移載荷變化，如圖所示從圖中可以看出，該結(jié)點開始時向位移隨著載荷的加大成線性變化，變化量并不大，這是因為材料在彈性變形階段；從附近隨著載荷的加大位移變化逐漸的增加，這是符合實際情況的。同理，貯箱上結(jié)點向位移、應(yīng)力隨載荷變化也符合同樣的規(guī)律。
優(yōu)化后的貯箱滿足了強度要求，但這還不夠，還要滿足穩(wěn)定性條件和動力學條件，隨后對貯箱進行屈曲分析。
根據(jù)對國外資料的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國外的貯箱都比我國的貯箱質(zhì)量輕，其中殼體的質(zhì)量減輕占了很大的比例。為了提高有效載荷，減輕貯箱的質(zhì)量，所以根據(jù)等應(yīng)力設(shè)計的思想，對貯箱危險的部位進行了加厚處理，把貯箱殼體應(yīng)力不大的地方減薄，使貯箱的應(yīng)力狀態(tài)更加均勻化。
殼體優(yōu)化后的結(jié)果為柱段部分厚度為172，上下半球厚度為0.5。這時的貯箱已經(jīng)進入到塑性變形階段，按照線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計算出來的結(jié)果并不準確，這需要對貯箱進行非線性分析。
1）首先將結(jié)構(gòu)離散成單元，分別建立單元局部坐標系和結(jié)構(gòu)整體坐標系，選取合適的位移模式，求出位移插值函數(shù)。
2）引入幾何條件及物理條件，并根據(jù)能量原理或靜力平衡條件求得單元結(jié)點力與結(jié)點位移之間的關(guān)系—單元剛度矩陣。
3）引入邊界條件，并根據(jù)邊界條件修正總剛度矩陣；解有限元基本方程得結(jié)構(gòu)整體坐標系下的結(jié)點位移，并由此求得單元結(jié)點位移。
4）最后根據(jù)經(jīng)逆變換后得到的單元局部坐標系中結(jié)點位移求得單元內(nèi)力。
首先對現(xiàn)在的貯箱進行建模。根據(jù)貯箱的實際結(jié)構(gòu)，并進行合理的等效，對貯箱的圓角過渡都給于忽略，建立貯箱的幾何模型。貯箱結(jié)構(gòu)由上下2個半球、柱段、支撐裙組成。
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