● 摘要
在各种航天器中，姿轨控推进系统都起着重要作用，即改变航天器轨道和控制航天器的姿态。推进剂贮箱作为推进系统的核心组件之一，占有推进系统很大一部分的质量和空间，进而影响着整个推进系统的整体性能。随着科学技术的进步，对姿轨控推进剂系统性能要求也越来越高, 在满足工况的情况下，减轻贮箱重量，降低成本，提高贮箱性能具有重要的研究意义。本文通过理论推导及有限元仿真的方法对姿轨控发动机液体推进剂贮箱的结构设计进行了研究。文中对碟形贮箱内表面几何尺寸参数的计算方法进行推导，并给出圆柱段及不同封头壁厚的计算方法；采用差分进化的优化算法对碟形贮箱的几何尺寸进行优化，优化后贮箱重量降低了16%。根据网格理论、采用预外压的方法对金属内衬全缠绕复合材料贮箱进行设计分析，并推导了复合材料层及金属内衬的厚度计算方程；利用ANSYS有限元软件对纤维复合材料贮箱进行有限元建模，并对复合材料贮箱结构强度进行仿真分析，圆柱段仿真的应力与设计值相似，碟形复合材料贮箱封头过渡部分因出现较大压应力而失效，因而纤维复合材料不适用于碟形封头；推导了微重力下液体静平衡时自由液面的微分方程，采用Rite法对微重力下液体小幅晃动的无量纲晃动频率进行求解，并给出了防止晃动的建议。采用MARC非线性有限元软件建立了金属膜片的有限元分析模型，仿真了金属膜片的非线性翻转过程，等厚度膜片翻转过程中出现了屈曲失稳现象，而无法满足设计的需要；从膜片的厚度分布、压差加载方式以及膜片的结构三个方面对金属膜片进行了优化，通过对金属膜片厚度分布的优化可以避免屈曲现象的出现，通过对膜片结构优化可以避免褶皱的出现以及提高金属膜片的翻转性能，而且使翻转过程更加平稳。 本文对姿轨控发动机贮箱结构的设计与优化以及对金属膜片的翻转仿真，会对减轻贮箱质量、提高贮箱性能方面提供参考。