火箭徑向連接孔精度對(duì)承載能力影響分析

安軍 申澤帆 張啟程 鄭學(xué)升

火箭徑向連接孔精度對(duì)承載能力影響分析

安軍 申澤帆 張啟程 鄭學(xué)升

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

對(duì)火箭部段間徑向連接進(jìn)行受力分析，徑向連接螺栓受剪切力及附加彎矩共同影響。對(duì)存在接觸、摩擦和預(yù)緊等非線性因素的徑向螺栓連接結(jié)構(gòu)建立有限元分析方法，得到徑向連接螺栓所受剪切力及附加彎矩?；诘湫徒Y(jié)構(gòu)開展連接孔精度對(duì)承載能力的影響，獲得不同對(duì)接孔精度下的承載能力，為火箭徑向連接孔精度的選擇提供工程設(shè)計(jì)依據(jù)。

火箭；徑向連接螺栓；有限元建模；孔精度

0 引言

近年來(lái)，隨著機(jī)械加工精度的提高，徑向連接螺栓越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用到運(yùn)載火箭的部段間連接。相對(duì)于傳統(tǒng)的軸向連接，徑向連接具有操作簡(jiǎn)單、方便，連接部位結(jié)構(gòu)質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。另外，隨著飛行馬赫數(shù)的不斷提高，為獲得更優(yōu)的氣動(dòng)和防隔熱效果，火箭外表面要求盡量平滑，徑向連接多采用沉頭形式，如圖1所示?；鸺慷蔚妮S向連接方式，連接螺栓主要受軸向拉力。徑向連接方式，連接螺栓主要受剪切力和附加彎矩，傳統(tǒng)的軸向連接力學(xué)分析方法已經(jīng)不再適用徑向連接的受力分析。王曉慧等[1]人采用有限元梁?jiǎn)卧浜投帱c(diǎn)約束的建模方法開展導(dǎo)彈徑向連接分析，其并未考慮火箭徑向連接孔精度對(duì)承載能力的影響?？紤]到徑向連接對(duì)連接孔的精度更加敏感，要求也更高，有必要開展火箭徑向連接孔精度對(duì)承載能力影響分析。

本文首先對(duì)火箭部段徑向連接方式進(jìn)行受力分析，得到徑向連接螺栓的破壞方式。通過建立有限元模型分析連接孔精度對(duì)承載能力的影響，獲得不同連接孔精度下典型結(jié)構(gòu)的螺栓受載情況。

圖1 運(yùn)載火箭部段間徑向連接示意圖

1 受力分析

圖2 徑向連接沉頭螺栓受力分析示意圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證徑向?qū)勇菟ㄊ芗羟辛ψ饔孟赂郊訌澗嗟挠绊懯欠袢缟鲜龇治鍪?。設(shè)計(jì)螺栓單剪切試驗(yàn)，驗(yàn)證其破壞形貌。試驗(yàn)示意圖如圖3所示。

M8螺栓單向剪切試驗(yàn)預(yù)示見圖4，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖3 單向剪切試驗(yàn)

圖4 單向剪切試驗(yàn)預(yù)示

由圖4可知，試驗(yàn)預(yù)示當(dāng)剪切力為72kN時(shí)，螺栓出現(xiàn)兩個(gè)高應(yīng)力區(qū)（圖4中A、B區(qū)域），應(yīng)力超過1500MPa，A、B兩區(qū)域均有可能出現(xiàn)斷裂破壞，分別對(duì)應(yīng)的破壞形式是光桿剪斷和螺紋根部斷裂。由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，螺栓在剪切力為72kN左右發(fā)生破壞，3個(gè)樣本中表現(xiàn)出兩種破壞形貌。1＃與3＃試件為螺栓受剪切破壞；2＃試件為螺栓受附加彎距導(dǎo)致螺紋根部破壞。有限元預(yù)示結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性良好。由此驗(yàn)證了徑向連接螺栓所受剪切力和附加彎距都有可能導(dǎo)致螺栓的破壞，實(shí)際工程分析中不能忽略附加彎矩對(duì)承載的影響。

表1 單剪試驗(yàn)結(jié)果

3 徑向連接結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 徑向連接結(jié)構(gòu)

火箭某部段對(duì)接面徑向均勻分布48個(gè)M8徑向?qū)勇菟ǎ鐖D5所示。

3.2 有限元分析

圖5 火箭徑向連接結(jié)構(gòu)

圖6 有限元分析模型

4 連接孔精度對(duì)承載性能的影響

對(duì)于火箭部段間徑向連接所采用的f10.2mm的孔，其孔精度如表2所示。根據(jù)公差尺寸取每個(gè)精度的上限作為有限元模型中的真實(shí)孔尺寸。如對(duì)于精度H12，有限元建模時(shí)幾何模型的孔尺寸為10.38mm。

圖7 對(duì)接螺栓1:1變形及主應(yīng)力云圖

表2 尺寸公差表

計(jì)算得到的最大受載螺栓與對(duì)接孔精度關(guān)系如圖8所示。

圖8 連接孔精度對(duì)螺栓承載影響

圖8是基于對(duì)接面直徑2m的結(jié)構(gòu)得到的螺栓孔精度對(duì)螺栓承載的影響。由圖8可知，對(duì)接孔精度在H9以下，螺栓所受的剪切力和附加彎矩隨精度的降低而增加較大；對(duì)接孔精度在H9以上，螺栓所受的剪切力和附加彎矩隨精度的降低而增加相對(duì)較小。實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮到裝配、加工難度、周期、成本等影響因素，對(duì)于直徑在2m左右的火箭部段對(duì)接，對(duì)接孔精度選擇H9具有較高的性價(jià)比。

由圖8可知，螺栓所受剪切力和附加彎距均隨著對(duì)接孔精度的降低而變大，即承載能力下降。對(duì)接孔的精度要求下降后，會(huì)導(dǎo)致螺栓與部段之間的接觸剛度分配不均，導(dǎo)致螺栓受載不均，從而使單個(gè)對(duì)接螺栓的承載變大，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)承載能力降低。圖9給出了在對(duì)接孔精度為H6和H12情況下結(jié)構(gòu)受載最大的五個(gè)對(duì)接螺栓的剪切力和附加彎矩。由圖9可知，隨著對(duì)接孔的精度的下降，螺栓受載不均勻性會(huì)更明顯，單個(gè)對(duì)接螺栓的承載變大。

圖9 連接孔精度對(duì)螺栓受載不均勻性的影響

上述分析表明，對(duì)接孔的精度要求越高，結(jié)構(gòu)承載能力越強(qiáng)，但是實(shí)際工程中考慮到裝配、加工難度、周期、成本等影響因素，對(duì)接孔的精度不可能無(wú)限提高。實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)截面載荷選擇適合的精度，而不是一味的追求高精度。

5 結(jié)論

徑向連接螺栓所受剪切力和附加彎距都有可能導(dǎo)致螺栓的破壞，實(shí)際工程分析中不能忽略附加彎矩對(duì)承載的影響。徑向連接對(duì)接孔的精度越高，結(jié)構(gòu)承載能力越強(qiáng)。實(shí)際工程應(yīng)用中，綜合考慮加工、裝配難度、承載性能等因素，對(duì)于直徑2m左右的火箭部段對(duì)接，對(duì)接孔精度選擇H9具有較高的性價(jià)比。

[1] 王曉慧, 樊思思, 李人杰, 等. 改進(jìn)的螺栓連接結(jié)構(gòu)建模方法及其在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 固體火箭技術(shù), 2014, 37(5): 694-698. [Wang Xiaohui, Fan Sisi, Li Renjie, et al. A modified modeling method of bolted connection and its application to the missile design[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2014, 37(5): 694-698.]

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[6] 楊帆, 張希, 章凌, 等. 運(yùn)載火箭爆炸螺栓承載能力分析方法[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2015(5): 5-8.[Yang Fan, Zhang Xi, Zhang Ling, et al. Load-bearing capacity analysis method for explosive bolt on launch vehicle [J]. Missiles and Space Vehicles, 2015(5): 5-8.]

[7] 張朝暉, 由小川, 呂海波, 等. 火箭級(jí)間段連接螺栓失效數(shù)值分析[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2007, 34(4): 49-57.[Zhang Zhaohui, You Xiaochuan, Lv Haibo, et al. Numerical simulation for the failure of connector bolts of rocket midstages [J]. Structure & Environment Engineering, 2007, 34(4): 49-57.]

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Analysis of Influence of Rocket Radial Connection Hole Precision on Bearing Capacity

AN Jun SHEN Ze-fan ZHANG Qi-cheng ZHENG Xue-sheng

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

The force analysis of the rocket radial bolt connection structure was researched. The research results show that the radial connecting bolt is affected by the shear force and additional bending moment. The modeling methods of the bolted connection structure, which contains nonlinear factors such as contact, friction and preload was studied. The shear force and additional bending moment was obtained. The impact of butt hole accuracy on load capacity based on typical was developed. The bearing capacity of bolts under different accuracy was obtained. The research results provide engineering design basis for the selection of the accuracy of the rocket radial connecting hole.

Launch vehicle; Radial connection bolt; Finite element modeling; Hole accuracy

V19

A

1006-3919(2021)04-0048-04

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.04.008

2021-05-25；

2021-06-07

安軍（1989—），男，工程師，研究方向：運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)；（100076）北京市9200信箱10分箱.