彈箭體結構強度標準化數字設計實踐

/北京宇航系統工程研究所

彈箭結構設計過程中,強度(含剛度)是貫穿其中基礎而重要的環節。隨著航天結構的發展,一方面結構強度設計要求已突破傳統靜強度設計的概念,擴展到確保產品全生命周期內的結構完整性需求;另一方面為提高運載能力,火箭結構直徑增大、輕質化設計要求提高,非線性特性越來越顯著。有限元方法及其應用技術的發展,為考慮結構非線性開展多學科聯合仿真設計成為可能,并已在我國彈箭體結構研制中廣泛使用。

現階段,我國彈箭體結構強度設計逐步轉入以有限元方法為主、工程方法為輔的數字化設計手段,而現有的設計手冊、設計標準還主要基于工程方法,不能滿足現有彈箭體結構研制需要。且標準內容零散,缺乏系統規劃,迫切需要針對現階段彈箭結構研制設計需要,特別是大直徑運載火箭多單位協同合作設計需求,對相關標準進行梳理、規劃、修訂、完善,構建系統完整、合理有效、可持續發展的彈箭體結構強度設計標準體系和具有行業執行效力的標準規范,為新一代戰略、戰術、大直徑運載火箭結構研制提供技術支撐。

一、技術、標準及實現途徑

1.結構強度設計技術及標準現狀

現階段我國彈箭體結構設計手段仍主要基于靜強度設計,動強度校核。工程方法主要用于初始設計階段的結構參數確定和形狀規則、均勻結構的強度計算,而有限元方法廣泛用于復雜傳力結構的優化設計,結構強度校核、承載能力分析及試驗設計、試驗結果預示等。

近十幾年來,結構強度設計和產品制造技術手段發生了較大變化,但相應的設計技術手冊和標準規范卻沒有修改完善。工程計算方法仍然按照20世紀70年代的《導彈結構強度計算手冊》和90年代的導彈與航天系列叢書《結構設計》分冊,復合材料結構設計主要按照1999年發行的《復合材料結構設計指南》,以及90年代編制的幾項行業技術類標準,如QJ1919-90《彈道式導彈彈體結構強度與剛度設計規范》等,這些手冊和標準采用的方法是基于線性小撓度理論,根據當前設計、制造工藝水平對試驗結果進行修正形成的工程算法,基本沒有涉及有限元法。

現階段,一方面需要根據現有的結構特點,材料、加工工藝水平對原有的工程方法進行適應性修訂;另一方面應對有限元建模、分析方法進行規范,保證分析結果的準確性,并與試驗結果進行對比分析,總結形成基于有限元法的可靠設計方法。

2. 實現途徑

按照標準體系全面性、系統性、可擴展性和時效性原則,構建強度設計標準體系。體系建設過程中,一方面,開展了廣泛調研,了解國內外航空航天行業相關情況,參考成熟經驗;另一方面,專家牽頭,對結構強度設計在型號研制流程中的作用及其應用技術進行了全面梳理,遵循實用、可操作原則,適應彈箭體結構研制特點。

梳理應用過程中存在的問題,針對問題策劃相應標準項并逐步落實。現階段,彈箭體結構研制過程中存在未將有限元分析納入結構研制流程,對工程方法和有限元法分工不明確,導致出現隨意選用問題;有限元法建模、分析手段不規范,帶來分析過程、結果控制、質量評估困難問題;強度設計計算過程復雜,用于質量把關的三級審簽手段存在執行困難問題等。應在強度設計要求類標準中明確規定結構強度設計流程,工程算法和有限元方法選用原則;方法類標準中明確建模和分析流程及過程中每一步應和不應采用的方法等。

對規則結構、成熟技術可采用數字化手段,按標準要求定制為模板,實現標準執行的執行力,避免人為操縱的隨意性。

二、專業標準體系規劃與實踐

1.構建結構強度專業標準體系

由專家牽頭,經專業技術骨干多輪討論和實踐過程不斷完善,按照全面性、系統性、可擴展性和時效性原則,建立了如圖1所示的彈箭體結構強度專業標準體系,體系內容包括通用基礎技術標準、強度設計標準、標準模板及管理規范四部分。

針對有限元方法類標準零基礎情況,從結構強度涉及的學科、彈箭體常見結構形式及產品、常用分析軟件的建模及模型檢查方法、型號分析工作、典型結構建模模板等方面對有限元分析相關內容進行梳理,形成彈箭體結構強度有限元分析標準子體系,如圖2所示。

2.運載火箭結構強度有限元分析標準群建設

圖1 彈箭體結構強度專業標準體系

圖2 彈箭體結構強度有限元分析標準子體系

及時總結應用經驗,按照急用先行、量力而行、不斷完善的原則,逐步建設落實,先后完成了16項有限元分析企業標準,見表1。并聯合運載火箭載荷、動特性有限元方法應用專業,成功申報了《運載火箭與導彈武器結構數字化設計與建模標準化制定》國防科工局技術基礎科研項目,完成了5項結構強度有限元分析行業標準,見表2。

表1 有限元分析企業標準項目

其中《運載火箭結構強度有限元分析方法》作為通則對結構強度有限元分析流程,分析要素,建模、求解、結構后處理、結果評價、結果修正等結構靜、動力學分析涉及的內容進行了詳細規范,并對以下基礎技術開展研究,確定了技術細節:

一是Abaqus不同單元類型計算精度研究,明確了常用單元類型的優先選用級別。

二是薄壁結構穩定性分析方法研究,明確了各種分析方法適用范圍、收斂控制方法,突破了動力學方法求解薄壁加筋殼穩定性關鍵技術。

表2 運載火箭結構強度有限元分析行業標準

三是動靜態問題判據研究,明確了規定動載荷激振頻率小于結構一階固有頻率0.2倍,或響應大小和等幅值靜力載荷相比放大不超過5%時,可簡化為靜態載荷。

四是結構強度設計準則,明確了復合材料采用最大主應變或層合板強度理論。

五是計算精度控制方法,明確了要求非線性動力學和動響應分析應調整分析步長或變換分析算法計算,收斂結果差值不大于10%;靜力分析應檢查應力較大區域,同一節點在不同單元中的最大、最小應力差值不大于10%。

六是結果修正方法,明確了規定臨界失穩載荷計算結果按工程計算方法修正;對材料、工藝不成熟結構應基于試驗進行模型修正。

其它4個標準對分析流程中軟件建模與分析部分,以及各軟件的具體操作方法進行了規范。明確了基于Patran/Nastran、Abaqus 2種常用軟件的有限元建模和模型檢查方法。并定制了一些材料性能數據庫,自動化建模、分析、后處理插件,極大提高工作效率的同時確保了有限元建模、分析方法的正確使用。

3.運載火箭結構強度設計要求標準群建設

為將有限元分析方法納入結構研制流程,規范工程計算和有限元方法的選用原則,規劃梳理出如圖3所示的運載火箭結構強度設計要求標準群,內容包括通用要求和以常用結構形式與通用產品為主線的2套標準。

為便于產品引用,基于結構形式的項目先行,成功申報了《大型運載火箭結構強度設計要求標準制定》國防科工局技術基礎科研項目,完成5項行業標準,見表3。

《運載火箭結構強度設計要求》作為通則對運載火箭結構強度設計一般要求、設計程序、設計內容和載荷分析、結構設計、強度分析、強度試驗、可靠性評估等共性技術進行了詳細規范,確定了以下關鍵技術內容:

圖3 運載火箭結構強度設計要求標準群

表3 運載火箭結構強度設計要求行業標準

強度設計準則。金屬材料結構應用材料抗拉強度失效準則,塑性材料一般采用第四強度理論、貯箱等壓力容器類結構一般采用第三強度理論;復合材料結構應用層合板理論,采用應變控制法或基于單向板和層壓板的強度失效準則。

材料性能數據取值。強度性能數據一般取B基準統計值,關鍵結構可取A基準值,不滿足基準統計要求的取下限值,其他性能數據一般取平均值。

工程方法和有限元方法的選用。工程方法主要用于初始設計階段的結構參數確定和形狀規則、均勻結構的強度計算,如內壓強度計算、結構臨界失穩載荷計算、連接件強度計算、傳熱計算等;有限元方法用于初始設計階段的結構優化設計,詳細設計階段的結構強度校核、承載能力分析、試驗預示等。

其它4個標準分別對蒙皮析條結構、網格加筋結構、夾層結構、復合材料結構的設計計算方法和特殊要求進行了規范,實現了以下突破:一是將金屬和復合材料網格加筋結構工程設計計算方法進行了整合,統一采用基于層合板理論的等效剛度鋪平法;二是將泡沫夾層結構設計計算方法納入標準;三是在復合材料結構設計要求中,和國際接軌,提出了材料許用值、設計許用值和設計值3個層次的強度性能數據概念。總結復合材料結構設計經驗,明確了鋪層設計原則,并明確了析條、端框等主承力結構和結構過渡、開口補強等關鍵設計區域的設計方案。

與QJ1919-90《彈道式導彈彈體結構強度與剛度設計規范》相比,此套標準在完全覆蓋其全部內容的基礎上,不僅納入了有限元分析方法,明確了兩者的適用情況,而且在內容的完整、系統性及技術水平上有很大突破。

4.典型結構強度設計模板定制

對結構強度設計過程中有限元建模、結果處理等一些技術成熟而校審把關困難的問題制定為模板,如材料性能自動導入模板,蒙皮析條結構、網格加筋結構自動化建模模板,螺栓力自動提取模板等,解決了設計過程和結果不受控問題的同時,提高了工作效率。

三、應用價值

標準體系的策劃,明確了彈箭體結構強度設計標準化建設詳細規劃及長遠目標。層次分明、系統全面、詳細具體的體系在后續標準項目建設實施過程中起到了有效指引作用。

《運載火箭結構強度設計要求》《運載火箭結構強度有限元分析方法》系列行業標準和16項企業標準以及定制的插件基本解決了現階段結構強度設計存在的問題,初步完成彈箭體結構強度設計標準的更新換代,實現了結構強度設計和有限元分析全過程受控的規范化管理和質量把關的目的。標準編制過程的技術梳理、關鍵技術研究、調研查新、意見交流、專家評審等環節大大地促進了專業規劃完善、技術水平提升。

二十幾項標準成果已作為彈箭體結構強度設計分析人員必須掌握的標準文件,廣泛應用于CZ-5、CZ-7等型號結構研制過程中,對提高分析質量、分析結果可靠性起到了有效控制作用;作為新員工入職必學文件起到快速引領新人入門的效果;作為外協合同要求,已在大連理工大學、北京航空航天大學等協作單位應用,指導各單位開展工作,控制外協分析任務質量。10項行業標準,在中國航天科工集團第二研究院、中國航天科工運載技術研究院、上海航天技術研究院后續編寫的相關標準中多處引用,達到提升行業內整體技術水平,更好地服務于航天的目的。

四、后續工作

后續一方面將繼續完成標準體系中規劃的項目,另一方面將緊跟結構發展需要,不斷修訂完善標準體系。

1.產品化結構強度設計及驗證標準群

針對彈箭體結構產品化設計需要,可以制定《運載火箭典型產品強度設計及驗證》系列標準。按照結構功能,規定一類產品強度設計和試驗驗證要求。為滿足產品化結構快速設計需要,可進一步細化各種產品有限元建模、模型管理要求,技術方法成熟后可定制成模板,實現快速優化設計、強度校核。

2.數字強度試驗標準群

針對一些型號,為提高競爭力,縮短研制周期,降低成本,對成熟產品要求采用數字強度試驗代替實物試驗需要,可以制定《數字強度試驗驗證》系列標準。考慮現階段試驗測量手段和產品可測范圍,研究數字強度試驗有效執行流程和方法,形成從試驗策劃、試驗設計到試驗實施全方位規范化控制方案。

3.運載火箭結構強度評估和驗證平臺

進一步將研究成果模板化,形式工程設計計算模板、有限元分析模板,和常用輸入數據庫、產品試驗驗證數據庫、標準規范、使用說明等形成知識工程庫。

在標準體系、模板、知識工程庫建立完整,并經實踐驗證成熟后,可對相關內容進行封裝,構建一個具有行業權威的“運載火箭結構強度評估和驗證平臺”。

通過彈箭體結構強度設計標準化建設,梳理出現階段彈箭體結構強度設計存在的問題,通過5年的實踐,從零開始基本建設形成了基于有限元方法的彈箭結構強度設計標準體系,解決了現階段存在問題的同時,極大促進了專業發展建設及技術水平的提升,逐步明確了以有限元方法為主、工程方法為輔的結構強度標準化數字設計規劃及長遠發展目標。

標準規范是數字化設計的質量保證,數字化設計是標準規范的執行保障。在實踐中,應根據彈箭體結構研制需要,不斷通過發現問題、開展研究、總結研究成果和實踐經驗,提煉形成標準規范,按標準要求定制模板,實現數字化設計。只有通過彈箭體結構強度標準化數字設計,才能顯著提升結構強度設計效率和品質,最終用數字強度試驗代替實物試驗,充分發揮技術優勢,釋放人力資源,降低成本,縮短周期,從根本上提升型號競爭力。