运载火箭线式捆绑分离装置的研究

摘要

目前，运载火箭的点式捆绑分离结构在承载过程中会产生过大的集中载荷，为了从根本上解决这个问题，必须研制新型的捆绑结构——线式捆绑分离装置。本文首先模拟了线式捆绑分离装置的工作过程，深入研究了其捆绑和分离原理。在此基础上，完成了线式捆绑分离装置的优化研究，并设计出匹配的辅助结构。最后，基于相似理论完成模拟试验设计，以验证该装置的应力分布均匀性。本文形成了一套完整的分析、优化、设计及验证框架，可以为我国未来运载火箭各类典型结构的优化设计提供参考。 本文的主要研究内容如下： （1）研究了线式捆绑分离装置的工作原理。基于有限元分析，分别采用静力学和显式动力学对捆绑装置在捆绑状态和分离过程进行数值模拟，分析应力状态，研究工作原理。随后，通过逐级增加载荷的方式，试探出最合适分离的瞬态内压值P的范围；并探究对分离效果产生影响的因素。 （2）优化了线式捆绑分离装置的几何形状（中心线形状）。通过对多种类型曲线的优化对比，寻找到最佳线型——双直线；并以此为基础，选择合适的优化算法和约束条件，精细优化出形状的具体尺寸。 （3）设计了相匹配的辅助结构。基于拓扑优化和尺寸优化技术，结合半硬壳结构的匹配性要求，设计出箱间段和斜头锥段匹配的辅助结构。随后基于分级分区优化策略，通过两次系统性的循环优化，进一步降低了箭体的重量，增加了载荷的传递效率。 （4）完成了模拟试验的设计。基于相似理论，运用量纲分析法设计相似模型；并以应力分布均匀性为目标，设计了等效模型。借助3D打印技术，制作三维实体模型，完成了模拟试验的试验设计。

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