等張力鈦膜片翻轉特性研究

(北京航天動力研究所，北京 100076)

航天動力系統中常使用金屬膜片式貯箱作為推進劑貯存設備，較常見的金屬膜片為類球形結構(見圖1)。在某些動力系統中，由于貯箱在直徑方向受制約，高度大于直徑尺寸，球形結構的膜片式貯箱容積被直徑所限，無法繼續增大容積。本文提出等張力曲面的膜片設計思路，在球形膜片的基礎上向高度方向延伸，改進后的膜片結構見圖2。膜片表面全部為光滑弧段，與橢球形曲面不同，采用等張力曲面，可使膜片局部受力更為均勻，翻轉過程易于控制。通過合理的翻轉形式與其局部厚度設計，可以有效避免膜片在翻轉過程中發生失穩與多邊形褶皺[1-3]。

常規膜片翻轉時通常有兩種變形模式，即弧頂起始翻轉與赤道起始翻轉。弧頂起始翻轉的膜片在曲面頂部首先出現凹陷，之后由凹陷部位逐漸向下翻轉；赤道起始翻轉膜片在赤道部位設置厚度較薄的預翻邊，從此處開始發生變形，之后整體型面依次向下翻轉。

圖1 類球形膜片典型結構

圖2 等張力曲面膜片典型結構

本文通過有限元軟件對等張力曲面膜片的翻轉過程進行仿真分析。通過模擬不同的膜片翻轉形式，研究其對膜片翻轉性能的影響，為等張力鈦膜片的設計提供參考依據。

1 等張力膜片設計參數與有限元模型的建立

仿真分析時采用Mises屈服準則。等張力鈦膜片所用鈦合金材料經過拉伸試樣的相關試驗，實測抗拉強度為305 MPa，彈性模量為110 GPa，并根據實際拉伸試樣采集數據，定義材料的真實應力-應變曲線。

仿真使用的膜片直徑為100 mm，高度為70 mm。建模時，結構網格使用四節點四邊形殼單元[4]。翻轉時對膜片的邊緣部位進行固支，膜片翻轉時所受的載荷等效為作用在膜片外表面的單向壓力。

膜片截面設計為光滑的等張力曲面，翻轉前、后的高度尺寸大于膜片最大直徑。建模時弧頂起翻的膜片截面為等張力曲面，不設置預翻邊，在弧頂處厚度最薄，從弧頂到赤道固支處厚度逐漸增加；赤道設置預翻邊的變厚度等張力膜片，在預翻邊處厚度最薄，向弧頂逐漸增厚。最薄的部位剛度最小，由此處首先發生變形并起始翻轉。赤道設置預翻邊的等厚度等張力膜片，由于預翻邊處直徑最大，整體剛度在此處最低，因此也由此處發生初始翻轉。

2 弧頂起始翻轉等張力膜片有限元仿真結果及分析

對采取弧頂起始翻轉的變壁厚等張力膜片進行有限元仿真分析，膜片的運動過程及應力分布云圖見圖3。由仿真結果可知，膜片變形部位周向沒有預翻邊的約束，翻轉過程中膜片周向受力不均勻，起始翻轉后不久，即因局部失穩而產生褶皺，沿膜片翻轉變形部位的不規則褶皺呈現出多邊形形貌。多邊形的交匯尖點隨翻轉過程逐漸增多，膜片交匯尖點處應力水平較高，易導致膜片發生局部破裂，使貯箱液腔內的推進劑發生泄漏，造成貯箱結構破壞與功能失效。

在改變膜片局部厚度與厚度分布等參數后，翻轉模式并無明顯改善，膜片翻轉部位仍會出現多邊形褶皺，并在交匯處的尖端發生破壞。由此可知，頂部起始翻轉的等張力膜片翻轉過程不穩定，極易發生不對稱變形，進而導致膜片產生褶皺而造成破壞。

圖3 弧頂起始翻轉的變厚度等張力膜片翻轉過程仿真及應力分布云圖

3 赤道起始翻轉等張力膜片有限元仿真結果及分析

3.1 等厚度、等張力膜片仿真結果及分析

對采用赤道部位預翻邊處起始翻轉的等厚度、等張力膜片進行仿真，膜片翻轉過程及應力分布云圖見圖4。由于膜片整體厚度相同，初始翻轉時膜片弧面的變形較為平滑，但起始翻轉后不久即發生不對稱變形，膜片翻轉部位出現傾斜，不與赤道平面平行，膜片不規則變形并“擺動式”向下方非均速翻轉，翻轉過程不穩定。雖然膜片能夠完成翻轉，但其翻轉變形過程極不規律，使貯箱在排放推進劑的過程中質心變化不可控。

圖4 赤道起始翻轉的等厚度、等張力膜片翻轉過程仿真及應力分布云圖

3.2 變厚度等張力膜片仿真結果及分析

對采用赤道部位預翻邊處起始翻轉的變厚度等張力膜片進行仿真，膜片運動過程及應力分布云圖見圖5。膜片由赤道部位的預翻邊發生初始變化，應力在此處開始集中，當此處應力超過材料屈服強度后，膜片開始翻轉。通過仿真結果可知，當膜片單向所受壓力大于0.1 MPa時，其在厚度最薄的預翻邊部位發生不可逆的塑性變形。膜片翻轉過程中所需的單向壓力隨其局部厚度的增加而逐漸增加，由0.1 MPa增加至0.3 MPa才能使膜片完成全部翻轉運動。膜片在全部翻轉過程中變形規律，型面光滑平整，翻轉部位未發生褶皺與多邊形。膜片完成翻轉運動后整體所受應力較為均勻，不超過材料承受極限，可以保證膜片結構完好。

圖5 赤道起始翻轉的變厚度等張力膜片翻轉過程仿真及應力分布云圖

4 結語

本文對不同翻轉形式與不同厚度分布的等張力膜片翻轉過程進行仿真分析，可得出如下結論。

(1)頂部起始翻轉的等張力鈦膜片翻轉過程不穩定，易發生不對稱變形，導致膜片因產生褶皺而造成破壞。

(2)赤道預翻邊處起始翻轉的等厚度等張力膜片翻轉過程不穩定，膜片“擺動式”向下方翻轉，使貯箱在排放推進劑的過程中質心變化不可控。

(3)赤道預翻邊處起始翻轉的變厚度等張力膜片在全部翻轉過程中變形規律，型面光滑平整，可通過改變膜片的局部厚度與厚度變化梯度來控制膜片翻轉所需的單向壓力，并控制翻轉過程中的型面穩定性，采用適當的厚度設計可以保證等張力膜片規則、平穩地翻轉變形。

因此，采用赤道預翻邊處起始翻轉模式，設計合理的變厚度梯度，可使等張力膜片的翻轉過程均勻、穩定。