金属膜片力学特性分析与优化设计

作     者：宋冠华 

作者单位：国防科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李道奎

授予年度：2018年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：金属隔膜贮箱 金属膜片 翻转 屈曲分析 动力学 

摘      要：作为金属隔膜贮箱的核心部件,金属膜片在翻转过程中容易产生褶皱、偏心、破裂等缺陷,进而导致其翻转失效,其翻转特性直接影响到隔膜贮箱的正常工作。由于金属膜片构型复杂、几何参数多,目前国内膜片设计并没有一套成熟的标准作为指导。因此,需要对其翻转规律及失效原因进行系统的研究,为膜片的设计提供技术支撑。本文以金属隔膜贮箱中的膜片为研究对象,重点进行其力学特性的研究和优化设计,主要工作和成果如下:针对现有仿真方法存在的收敛性差的问题,本文提出了膜片翻转过程的显式动态仿真方法;通过与基于准静态分析的弧长法仿真结果和实验结果的对比,验证了显式动态仿真结果的合理性;采用所提方法研究了充气速度对膜片翻转过程中压差曲线和偏心程度的影响;所提方法解决了目前仿真方法中存在的收敛性问题,为金属膜片设计提供了一种重要的仿真技术手段。提出贮箱一定体积下锥柱形、椭圆柱形和球形膜片几何参数的设计方法,通过仿真对该方法的精度进行了验证,并研究了贮箱一定体积下锥柱形膜片和椭圆柱形膜片的体积、锥角以及球形膜片的半径等参数对膜片翻转特性的影响;同时,针对膜片翻转失效问题,通过屈曲分析研究了膜片翻转过程中屈曲载荷的变化规律,探究了膜片翻转失效的原因。采用极差分析的方法研究了锥柱形膜片几何参数对翻转特性的影响,确定了多目标优化的设计变量;建立膜片翻转的径向基函数神经网络代理模型,采用遗传算法对膜片翻转特性进行多目标优化;通过对优化结果的分析发现,优化后膜片翻转特性有较大改善,验证了该方法在膜片优化设计中的可行性。提出含推进剂金属隔膜贮箱整体有限元模型建模方法,建立了贮箱整体不同工作状态下的有限元模型;采用所建模型进行模态分析和随机振动分析,研究了推进剂消耗对贮箱中膜片的动力学特性的影响。