区7方向依次增加；
[0036]所述双面铣槽2、纵边阶梯3的上下两端分别与对应的上下壁板顶角6 —体式连接；
[0037]还包括自所述壁板环边4向所述薄区7延伸的环边阶梯5，所述环比阶梯5包括若干个阶梯段；所述若干个阶梯段的内壁直径向薄区7方向依次增加；
[0038]所述环边阶梯5的左右两端分别与对应的左右壁板顶角6 —体式连接；
[0039]壁板纵边I的左右宽度为30?200mm，双面铣槽2壁的中分面与壁板纵边I壁的中分面对齐，双面铣槽2的壁厚为壁板纵边I壁厚的1/2?3/4，纵边阶梯3的每个阶梯段的左右宽度为30?50mm，每个阶梯段的壁厚依次降低；当有三个阶梯段时，依次壁厚取壁板纵边I壁厚的15/16、7/8、3/4 ;纵边阶梯3的每一阶梯段的外壁直径与壁板纵边I的外壁直径一致。
[0040]壁板环边4的上下宽度为30?200mm ;环比阶梯5仅为一个阶梯段，其上下宽度为30_，环边阶梯5的壁厚为壁板纵边I壁厚的7/8。
[0041]壁板顶角6的上下长度尺寸L为壁板环边4上下宽度的2?6倍，壁板顶角6的左右长度尺寸W为壁板纵边I左右宽度的2?6倍。
[0042]以某型号5m直径火箭推进剂贮箱中的筒段壁板10为例，每个筒段11包括4块筒段壁板10，壁板纵边I的厚度为8_，薄区7的厚度为3.9_，材料为2219C10S，筒段壁板其余部分按照以上步骤确定，采用有限元方法对该筒段壁板组成的筒段进行校核。
[0043]对筒段11的采用实体单元HEX8建模，模型总跨度为45°，模型中，在贮箱内表面施加0.7MPa的内压载荷，在两侧施加对称约束以模拟360°的筒段，筒段11的下端处施加轴向零位移约束，上端施加载荷模拟贮箱箱底12的作用，求解器采用了 Sol600，计算中考虑了材料非线性和几何大变形。
[0044]有限元的计算结果表明筒段纵缝8内外表面应力相差小于1%，筒段环缝9内外表面应力相差小于5%，在壁板顶角6区域比其它区域应力增大6%，基本实现了焊缝应力均匀化的目标。按照塑性破坏准则，可以看出，采用本发明所提供的筒段壁板结构，可以实现箱底结构承载能力提高35%。
[0045]传统的筒段壁板10结构仅分为厚区和薄区，且厚区和薄区在外表面齐平，这导致了筒段纵缝8在外表面的应力远远高于内表面，筒段环缝9的内外表面也有较大差距，而在壁板顶角6区域比其它区域应力增大超过30%，这种结构导致贮箱承载能力显著降低。
[0046]在本发明的过程中，通过对筒段壁板10焊缝附近应力分布规律研究和影响因素分析，寻找到了一种实现焊缝内外表面应力均匀化的途径，即通过在壁板纵边I与薄区7之间依次增加双面铣槽2和纵边阶梯3，壁板环边4与薄区7之间增加环边阶梯5，在壁板纵边I与壁板环边4的交汇区域增加了半品字形的壁板顶角6，筒段纵缝8、筒段环缝9的应力分布进行了强制重新分布，实现了近似膜应力，从而提高了结构承载能力。
[0047]本发明对于结构重量要求苛刻的运载火箭贮箱设计而言意义重大，通过内外表面应力均匀化，提高了焊缝的承载能力，较比现有的筒段壁板结构承载能力提高35%，提高了结构效率。
【主权项】
1.一种焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于:所述筒段壁板为弧形状板，设所述弧形状板的弧延伸方向的两端为左右两端，与所述左右两端垂直的端面分别为上下两端；所述弧形状板的凹面为内壁，凸面为外壁； 所述筒段壁板包括在其左右两端的内壁加厚形成的壁板纵边、在其上下两端的内壁加厚形成的壁板环边、沿其从左向右方向和从上到下方向未加厚的薄区； 还包括设置在所述相邻的壁板纵边和壁板环边的交汇区域的半品字形壁板顶角，所述壁板顶角与所述壁板纵边和壁板环边均一体式连接，且壁板顶角、壁板纵边和壁板环边的壁厚一致。
2.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于:还包括自所述壁板纵边向所述薄区方向依次相邻设置的双面铣槽、纵边阶梯；所述双面铣槽的内壁直径小于所述壁板纵边的内壁直径，大于所述薄区内壁直径；所述双面铣槽的外壁直径小于所述壁板纵边的外壁直径；所述纵边阶梯包括若干个阶梯段，靠近所述双面铣槽的阶梯段内壁直径大于所述双面铣槽的内壁直径；所述若干个阶梯段的内壁直径向薄区方向依次增加；所述双面铣槽、纵边阶梯的上下两端分别与对应的上下壁板顶角一体式连接。
3.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于:还包括自所述壁板环边向所述薄区延伸的环边阶梯，所述环比阶梯包括若干个阶梯段；所述若干个阶梯段的内壁直径向薄区方向依次增加；所述环边阶梯的左右两端分别与对应的左右壁板顶角一体式连接。
4.按照权利要求2所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于:所述壁板纵边的左右宽度为30?200mm，双面铣槽的壁厚为壁板纵边壁厚的1/2?3/4，纵边阶梯的每个阶梯段的左右宽度为30?50mm。
5.按照权利要求4所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于:所述纵边阶梯有三个阶梯段，依次壁厚为壁板纵边壁厚的15/16、7/8、3/4。
6.按照权利要求3所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于:所述壁板环边的上下宽度为30?200mm ;环比阶梯包括一个阶梯段，其上下宽度为30mm，环边阶梯的壁厚为壁板纵边壁厚的7/8。
7.按照权利要求1所述的焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，其特征在于:壁板顶角的上下长度尺寸L为壁板环边上下宽度的2?6倍，壁板顶角的左右长度尺寸W为壁板纵边左右宽度的2?6倍。
【专利摘要】本发明涉及一种焊缝应力均匀化火箭推进剂贮箱筒段壁板，筒段壁板为弧形状板，设弧形状板的弧延伸方向的两端为左右两端，与左右两端垂直的端面分别为上下两端；弧形状板的凹面为内壁，凸面为外壁；筒段壁板包括在其左右两端的内壁加厚形成的壁板纵边、在其上下两端的内壁加厚形成的壁板环边、沿其从左向右方向和从上到下方向未加厚的薄区；还包括设置在相邻的壁板纵边和壁板环边的交汇区域的半品字形壁板顶角，壁板顶角与壁板纵边和壁板环边均一体式连接，且壁板顶角、壁板纵边和壁板环边的壁厚一致。应用本发明后，筒段纵缝、筒段环缝的内外表面应力近似均匀化；壁板顶角处的应力显著降低；由焊缝应力均匀化筒段壁板组成的筒段承载能力提高35%。
【IPC分类】B64G1-42
【公开号】CN104670522
【申请号】CN201310648822
【发明人】彭伟斌, 袁彪, 李林生, 王斌
【申请人】北京宇航系统工程研究所, 中国运载火箭技术研究院
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年12月3日