火箭增壓管路反拱形破裂膜片仿真分析及試驗研究

王叢飛，邢力超，許 光，滿 滿

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

引言

在航天領域，破裂膜片廣泛應用于運載、武器等液體型號的自生增壓管路中，達到隔離與打開的目的，破裂膜片能否正常打開直接關系到自生增壓系統是否正常工作，具有十分重要的作用[1-2]?，F役型號廣泛采用傳統鋁制平板形破裂膜片，純鋁材料耐腐蝕性差，同時，焊接易出現氣泡等缺陷。針對以上問題，擬采用新型不銹鋼破裂膜片對破裂膜片產品進行更新換代，該膜片采用不銹鋼材料，產品的耐腐蝕性明顯改善，且具有較好的焊接性能，產品的示意圖如圖1所示。結構為反拱形式，并在表面預制一定形狀的刻痕，在膜片打開的過程引導產品規則打開，可以有效防止多余物的產生。

不同于平板形和正拱形破裂膜片單純依靠強度破壞實現打開[3-5]，反拱形破裂膜片依靠結構失穩實現打開，影響結構穩定性的主要因素包括：原材料力學性能、膜片厚度、拱高、刻痕處剩余厚度等[6]。本研究采用有限元的方法對破裂膜片的打開壓力進行仿真分析研究，同時，通過試驗對產品的打開壓力性能進行了驗證。

1 產品幾何參數與性能指標

1.1 幾何參數

反拱帶槽形破裂膜片結構參數圖如圖2所示?？毯畚挥诠皟葌龋瑸椤笆弊中?，減弱槽采用激光刻蝕加工，為矩形凹槽，刻痕尺寸規整，有利于進行參數測量。

圖1 反拱帶槽形破裂膜片結構示意圖

圖2 膜片主要參數定義

膜片的主要參數：膜片外徑D1；起拱外徑D0；成形拱高H；膜片厚度t1；刻痕處剩余厚度t2；刻痕寬度B；成拱半徑R。

1.2 性能指標

火箭增壓管路用破裂膜片指標要求：通徑90 mm；正向打開壓力(0.4±0.05)MPa；反向承壓能力不小于0.5 MPa。

2 方案仿真分析

非線性穩定性分析方法是結構領域計算結構最大承載能力的一種重要手段[7]。同時，羅代明[8]、閆照峰[9]均采用ANSYS有限元軟件非線性的方法對反拱形膜片的打開壓力進行過研究分析。

本研究針對反拱帶槽形破裂膜片采用ABAQUS軟件進行了穩定性分析。實際結構在工程上不可能是完善的，存在一定的缺陷，非線性穩定性分析一般需引入初始缺陷，初始缺陷一般以屈曲模態為基礎，選取一定的缺陷比例因子。因此，首先對破裂膜片進行了模態分析，計算了破裂膜片產品的前幾階模態；在此基礎上，對破裂膜片進行非線性穩定性分析，計算破裂膜片的最大承載能力。

2.1 有限元模型

通過經驗分析，膜片厚度在0.2 mm左右，產品較薄，因此，選用了殼shell單元進行計算分析。模型為軸對稱結構，為了簡化計算量，選取1/4模型進行分析，設置對稱邊界約束。破裂膜片的有限元模型如圖3所示。

圖3 破裂膜片有限元模型

其中，起拱外徑D0為90 mm，刻痕直徑D2為86 mm，膜片外徑D1為139 mm，該參數主要與上下擋圈及密封結構相關，對破裂膜片打開壓力性能無影響，破裂膜片厚度、拱高、刻痕剩余厚度為設計參數。

2.2 材料屬性

破裂膜片材料選用316不銹鋼材料，彈性模量195 GPa，泊松比0.3，材料的塑性參數見表1所示。

表1 316不銹鋼材料塑性參數

2.3 分析步設置

第一步計算破裂膜片的屈曲模態，選擇lanczos分析步，提取破裂膜片的前幾階模態。膜片起拱的部位加載一定的壓力載荷，計算分析得到破裂膜片前三階屈曲模態。

第二步進行非線性穩定性分析，選取Risk分析方法，邊界條件及載荷設置與buckling分析步設置相同，并通過編輯關鍵字設置缺陷因子，以第一階模態作為初始變形的參考依據。

缺陷因子對打開壓力有著重要影響，因此，正確設置缺陷因子對最終打開壓力有顯著影響[10]。羅代明[8]在計算反拱帶刀形破裂膜片的時候，通過對比分析數據與試驗數據，根據不同結構選取的缺陷比例因子有0.07,0.08，且結構不同選取的缺陷因子有一定區別。閆照峰[9]在計算反拱帶刀形破裂膜片的時候，選擇缺陷系數0.006，但未對缺陷因子對打開壓力的影響開展過研究。本研究的結構為反拱帶槽形結構，通過減弱槽實現破裂打開，與反拱帶刀形破裂膜片有一定區別，缺陷因子在選取上有一定的不同，通過研究缺陷因子對打開壓力的影響，并結合試驗情況，確定合適的缺陷因子。

2.4 仿真分析結果

首先對破裂膜片進行了屈曲分析，提取了產品的前三階屈曲模態，如圖4所示。將一階屈曲模態的變形位移乘以一定的缺陷因子作為初始缺陷進行非線性分析。

圖4 破裂膜片的前三階屈曲模態

通過非線性穩定性分析，得到了破裂膜片在失穩前結構的變形分布，如圖5所示。該變形分布與一階模態的變形形式類似，說明結構是沿著一階模態的形式進行擴展變形。

圖5 破裂膜片翻轉前的變形分布

通過變形分布發展，破裂膜片在壓力持續增加的過程中，在4個角部逐漸塌陷，在結構的平衡轉換點，結構突然失穩，在失穩塌陷的過程，結構在刻槽位置破裂打開，實現翻轉爆破打開的目的。

分別研究了初始缺陷因子k、原材料厚度e1、膜片拱高h、刻痕剩余厚度e2等4個參數對破裂膜片打開壓力的影響。

圖6給出了缺陷因子對破裂膜片打開壓力的影響，結果顯示，在一定的范圍內，缺陷因子越大，打開壓力越小，且缺陷因子對打開壓力分析結果有較為顯著的影響，在進行破裂膜片分析設計過程中，必須選取合適的缺陷因子。

圖6 缺陷因子對打開壓力的影響

圖7給出了反拱形破裂膜片拱高對打開壓力的影響，可以看出，在一定的范圍內，打開壓力與拱高基本程線性關系，打開壓力隨起拱高度的增加而提高。

圖7 打開壓力隨拱高的變化

圖8給出了破裂膜片打開壓力隨著膜片厚度變化的趨勢，從數據可以得出，膜片打開壓力隨著厚度的增大而增大，之間的關系近似線性關系。

圖8 打開隨膜片厚度的變化趨勢

圖9給出了破裂膜片打開壓力隨刻痕剩余厚度的關系，結果顯示，在一定范圍內，刻痕處剩余厚度越大，打開壓力越高。

圖9 打開壓力隨刻痕剩余厚度的關系

但刻痕剩余厚度0.06 mm處出現了不同趨勢，對該參數下破裂膜片的模態進行了分析研究，發現在該參數下的一階屈曲模態如圖10所示，與圖6失穩前的變形分布有著顯著不同，說明該參數下，結構的失穩形式發生了變化，從而影響到最終的失穩壓力。

通過以上分析，初步確定了破裂膜片的結構參數，如表2所示。

圖10 刻痕剩余厚度0.06 mm時膜片的一階屈曲模態

表2 破裂膜片結構參數 mm

3 試驗研究

以仿真結果為基礎，開展了破裂膜片的加工及試驗驗證工作，為了保證產品的加工進度及一致性，采用激光刻蝕的方法。增壓速率對破裂膜片打開壓力有一定的影響，為了保證試驗的可靠性，選擇緩慢增壓的方式，選用自動化壓力試驗系統[11-13]。試驗原理如圖11所示，包括氣源、壓力控制及記錄設備、破裂膜片安裝法蘭等。

圖11 破裂膜片打開前后狀態

對該形破裂膜片開展了常溫狀態下的打開壓力試驗。破裂膜片在加壓過程，起拱側壓力逐漸增加，在增加到一定程度時，結構發生屈曲失穩，在失穩的同時，膜片迅速翻轉，在翻轉過程，破裂膜片在刻痕位置扯開，形成泄漏通道，實現導通的目的。圖12給出了打開前后破裂膜片的狀態，表3給出了試驗結果。

圖12 破裂膜片試驗裝置示意圖

表3 破裂膜片打開壓力試驗結果 MPa

試驗結果顯示，90 mm通徑破裂膜片正向打開壓力在0.40 MPa左右，反向極限壓力均大于2.0 MPa，具有良好的反向承壓能力。

根據試驗結果，結合圖6缺陷因子對打開壓力的影響趨勢，認為該結構在選取缺陷因子0.05時，仿真結果與試驗結果最為接近。根據分析及試驗情況，同類型反拱帶槽形破裂膜片在進行非線性穩定性分析時，推薦缺陷因子0.05。

將缺陷因子在0.05時的分析結果與試驗結果進行了對比分析，對比數據見表4所示。

表4 仿真結果與試驗結果數據對比

以上對比數據顯示，仿真結果與試驗結果的誤差在5%左右，結果具有很高的可信度。非線性穩定性的計算方法可以較好預示反拱形破裂膜片的打開壓力，可以作為產品設計、分析的依據。

4 結論

對反拱形破裂膜片開展了仿真分析工作，研究了缺陷因子、主要結構參數對打開壓力的影響。同時開展了試驗驗證工作，主要結論如下：

(1) 采用非線性穩定性分析的方法，可實現對反拱形破裂膜片打開壓力仿真分析，誤差不超過5%。對同類型、相似規格的破裂膜片產品在進行非線性溫度性分析時，推薦缺陷因子0.05;

(2) 破裂膜片的打開壓力主要與拱高、膜片厚度、刻痕剩余厚度相關，在一定范圍內，隨著拱高、膜片厚度的增加，打開壓力線性增加，在一定范圍內，刻痕剩余厚度越大，打開壓力越高，但剩余厚度超過該范圍時，會導致破裂膜片的模態發生變化，因此變形方式方法變化，將導致打開壓力的突變。