基于壳单元的火箭推进剂贮箱容积计算算法.docx

基于壳单元的火箭推进剂贮箱容积计算算法蒋亮亮等摘要：为得到火箭大直径推进剂贮箱在不同工况下的整体容积变化和液面以下推进剂的体积，提出一种基于壳单元的贮箱容积计算算法，并利用Abaqus脚本语言Python编制相应的程序.通过该算法可以较方便地得到贮箱变形前后的整体容积和液面以下的容积.对比半球形封头贮箱未变形时容积和贮箱在温度与压强载荷作用下容积的解析解和数值解，发现在常规单元尺度下该算法的计算误差在0.1%以下，表明该算法的计算精度较高.关键词：火箭；贮箱；容积计算；壳单元；变形中图分类号：V421；TB115.1文献标志码：BAbstract：Toobtaintheoverallvolumechangeandthevolumebelowtheliquidlevelofpropellantofalargediameterrocketpropellanttankunderdifferentconditions，atankvolumecalculationalgorithmisproposedonthebasisofshellelement，andPythonthatisascriptlanguagesofAbaqusisusedtodevelopaprogram.Thevolumeofthepropellanttankandthevolumebelowtheliquidlevelofpropellantcanbeeasilyobtainedbeforeandaftertankdeformation.Bycomparingtheanalyticalsolutionsandnumericalsolutionsofthevolumeundernodeformationandthevolumeundereffectoftemperatureandpressureloadforahemisphericalheadtank，thenumericalsolutionshaveanerrorbelow0.1%，whichshowsthatthecalculationprecisionofthealgorithmismoreaccurate.Keywords：rocket；tank；volumecalculation；shellelement；deformation引言大推力火箭采用大直径低温薄壁贮箱作为推进剂容器，贮箱在不同工况下的整体容积和推进剂的剩余量是火箭设计和火箭控制的重要参数.因此，需要精确计算推进剂贮箱在不同工况下的整体容积和推进剂的剩余体积，为火箭总体设计和火箭控制提供理论分析依据.目前，对于确定不考虑变形时贮箱的容积有多种实现途径.一种方法是通过液位传感器测得贮箱内液面高度，然后根据贮箱内壁理论曲线通过积分得到液面以下液体的容积[12]，再考察导致贮箱整体容积和液面以下容积发生变化的主要因素（如温度、压强等），利用工程算法估算对容积进行修正.这一方法往往较为粗糙：首先，采用工程算法估算中只考虑到少数的主要载荷；其次，工程算法估算主要载荷对贮箱整体容积和液面以下容积的影响可能存在较大误差.大直径低温贮箱在温度等各种载荷作用下变形较大，从而导致容积有较大变化，所以需要得到更精确的贮箱整体容积和一定液面以下的容积，从而提高火箭总体设计和火箭控制的精度.另一种应用广泛的方法是体积激励法[34]，该方法研究整个贮箱系统，以贮箱内气体为对象建立一般热力学控制方程，通过施加气体压强激励并精确测量各个相关热力学系（因）数的变化，完成气体和液体体积的计算.体积激励法适用面广[5]，基本不受微重力、气液混合、推进剂种类和贮箱类型等因素的影响，但该测量方法需要携带额外的测量系统，且该方法的测量误差在贮箱总体积的1%数量级[45].更重要的是，体积激励法是一种测量方法，得到的是贮箱在使用过程中的实时的气体体积和推进剂体积，即该方法并不能提前预估贮箱在确定工况下整体的容积和液体的体积并为火箭总体设计提供可用参数.有限元法是一种实用而有效的计算方法.随着计算机技术的快速发展和普及，特别是各种大型通用商业有限元分析软件的面世和不断更新，有限元法被应用到各个工程分析领域.壳单元是有限元中的常用单元类型，常用于离散结构在一个方向尺度（厚度）远小于其他方向尺度的结构，并忽略沿厚度方向的应力.当结构厚度小于其典型整体结构尺寸的1/10时，一般可采用壳单元进行模拟.火箭中用作推进剂容器的贮箱，壁厚与半径之比一般在1∶100以下，在考察变形影响时采用壳单元模拟贮箱结构得到其在各种载荷下的变形，可以认为是恰当的.本文提出一种新的贮箱容积计算方法，该方法基于采用壳单元离散后的贮箱有限元模型.利用该方法可以得到贮箱在各个工况下的整体容积和液面以下的容积.本文分成3部分：第一