Análisis mecánico de la estructura principal del cohete. Se basa en la mecánica estructural de las aeronaves y se forma gradualmente con el desarrollo de la industria de los cohetes y es una de las bases importantes para el diseño estructural de los cohetes. Los cohetes balísticos son muy diferentes de los aviones en términos de estructura y entorno de trabajo.

El análisis de la estructura del cohete incluye principalmente: análisis de estabilidad del tanque, análisis dinámico del cuerpo del cohete, reentrada de la ojiva, recuperación, análisis de protección nuclear y análisis de la fuerza del motor del cohete.

Estabilidadde la carcasa del tanque El tanque del cohete adopta principalmente una carcasa cilíndrica, y sus tipos de estructura incluyen una carcasa cilíndrica lisa, una carcasa cilíndrica reforzada y una carcasa cilíndrica de malla integral. La carga está dominada por la presión axial, así como por la presión interna presurizada y el momento flector. La estabilidad de la compresión axial es el problema principal en el diseño de tanques.

Análisis de la estabilidad decompresión axial de carcasas cilíndricas ligeras: La dependencia de la tensión crítica de la compresión axial de las carcasas cilíndricas ligeras de los principales parámetros geométricos es consistente con los resultados predichos por la teoría de la pequeña deflexión.

En el análisis de la estabilidad de la compresión axial del tanque, la fórmula de cálculo de la tensión crítica se puede obtener aplicando la teoría de la pequeña deflexión, y se puede trazar una curva confiable del coeficiente de tensión crítica de la compresión axial a través de experimentos y métodos de análisis estadístico de muestras pequeñas.

Rejilla cilíndrica reforzada integral Rejillasimétrica Coraza cilíndrica endurecida que soporta la presión axial a menudo adopta dos rejillas simétricas con mayor eficiencia, rejillas ortogonales y oblicuas.

La teoría ortotrópica lineal se utiliza para analizar la estabilidad de compresión axial de la carcasa rígida integral. Para simplificar, se puede convertir en el mismo tipo de fórmula de cálculo de tensión crítica que la carcasa cilíndrica plana, y el coeficiente de tensión crítica de compresión axial toma el valor teórico valor.

Aunque la dispersión de los resultados del experimento de la capa de refuerzo general es relativamente pequeña, la diferencia entre la teoría lineal y el experimento todavía existe. Los resultados experimentales aún deben usarse para modificar el valor de tensión crítica calculado teóricamente.

El peso del tanque de almacenamiento representa una gran proporción del peso total de la estructura del cohete y, por lo general, es necesario optimizar el diseño de la estructura.

El diseño de optimización de la carcasa cilíndrica de la rejilla rígida general toma el peso como función objetivo, la resistencia, la estabilidad, la rigidez y la tecnología como restricciones, y utiliza métodos de optimización restringidos (como el método de dirección factible, el método simplex, etc.) o los métodos de optimización no restringidos ( Como el método de función de penalización, el método de prueba aleatorio, etc.) Determine el grosor de la piel, la altura y el espaciado del refuerzo y otros parámetros. El análisis del caparazón reforzado compuesto por largueros, marcos y piel delgada adopta el método de la mecánica estructural de la aeronave.

El análisis dinámico del cuerpo del cohete incluye el cálculo de las características dinámicas y la respuesta dinámica de la estructura del cuerpo del cohete.

El cálculo de las características dinámicas es proporcionar la frecuencia natural y el modo de vibración de la estructura general, y proporcionar las características dinámicas de la estructura para el diseño del sistema de estabilidad y el sistema dinámico.

El cálculo de respuesta dinámica proporciona los datos de carga causados por impactos como el encendido, apagado y separación entre etapas del motor para el diseño de cohetes y naves espaciales.

Análisis de características dinámicas ”establece el modelo matemático del objeto de análisis y determina los parámetros del modelo matemático.

La vibración longitudinal del cohete puede usar un modelo de masa de resorte, un modelo de elementos finitos de estructura completa (que consta de un elemento de capa, elemento líquido y otros tipos de elementos), modelo híbrido (el elemento de capa y el elemento líquido se utilizan para la estructura principal, resorte- modelo de masa para estructura de rama).

El modelo de masa de resorte (Figura 1) es relativamente simple de calcular y es adecuado para el cálculo rápido preliminar de modos de orden bajo de diversas condiciones de vuelo y el estudio preliminar de los efectos de vibración acoplados longitudinales. El modelo de elementos finitos de toda la estructura (Figura 2) facilita la consideración precisa del efecto de acoplamiento líquido-sólido.

Para determinar con precisión la carga dinámica en el satélite o la ojiva, se puede establecer un modelo de elementos finitos de estructura completa o un modelo híbrido del cohete junto con el satélite o la ojiva para el análisis de respuesta al impacto.

La vibración lateral del cohete puede tomar un modelo de viga, simplificar la estructura del cohete en una viga de sección transversal variable o un sistema con vigas ramificadas, y utilizar el método de elementos finitos para el análisis. Para obtener modos de orden superior y pendientes de deformación local (parámetros para determinar la posición de instalación de componentes sensibles), se utiliza para el cálculo un modelo de elementos finitos de estructura completa compuesto por varias unidades.

Debido a la compleja estructura del cohete, el modelo establecido no es fácil de ser exacto. Es necesario modificar el modelo teórico mediante experimentos, y hacer análisis de correlación entre teoría y experimento (identificación de parámetros físicos) para ajustar la matriz de rigidez total y Matriz de masa total del modelo de cálculo.

El método de identificación de parámetros físicos del sistema aún se encuentra en la etapa de desarrollo. Otro método para el análisis dinámico de grandes estructuras es el método de subestructura dinámica, que incluye el método de emparejamiento de impedancia de policondensación de subestructura, el método de síntesis modal y el método de super elementos finitos.

El cálculo de la frecuencia natural y la forma del modo de la estructura necesita resolver la ecuación característica, y los métodos incluyen el método de búsqueda determinante y el método de iteración subespacial.

Análisis de respuesta dinámica “Utilizando el mismo modelo matemático que el análisis de características dinámicas para el cálculo de respuesta dinámica.

Calcule el historial del tiempo de respuesta con superposición de modo o método de integración directa. El método de integración directa debe usarse para calcular la respuesta al impulso, y el método de superposición de forma de modo es más económico para el análisis de respuesta de un historial de tiempo más largo.

Análisis de la estructura del motorLa tensión térmica que soporta el motor cohete líquido es mucho mayor que la del motor térmico ordinario, y su magnitud está estrechamente relacionada con la temperatura y la presión del gas en la cámara de combustión. La presión del gas es la carga básica de la cámara de combustión.

Las partes de tensión del motor y la carcasa de la cámara de combustión se calculan generalmente en dos pasos: primero, la carcasa se toma como un todo bajo la acción de la presión y el calor internos, y su resistencia general y la rigidez, y luego Verifique la resistencia local y la rigidez de la pared interior bajo la acción de la presión del gas y la diferencia de presión del refrigerante.

Las cargas dinámicas a menudo afectan gravemente la eficiencia de la carcasa del motor. Cuando el cambio de presión del gas provoca la vibración de flexión (no simétrica del eje) de la carcasa del motor, se generará una resonancia de parámetros más complicada. El grano de un motor cohete sólido es una de las estructuras que soportan la carga.

Es un tubo de paredes gruesas de material polimérico calentado. La presión del gas hará que esté en un estado de deformación compleja y no uniforme. El deslizamiento y las grietas que se producen durante el transporte y el almacenamiento también pueden traer consecuencias graves, por lo que el análisis dinámico del motor es muy importante.

Su vibración de alta frecuencia es causada por la vibración autoexcitada del complejo sistema compuesto por propelente sólido, pared de la cámara de combustión, ambiente de gas y zona de combustión. El modelo para analizar la vibración autoexcitada debe ser un sistema cerrado con fuente de vibración.

La fuerza de los motores de cohetes es muy complicada. Además del análisis teórico, los experimentos son indispensables y, por lo general, deben resolverse mediante múltiples pruebas térmicas.

Análisis de la estructura de la ojiva La ojiva del misil se calienta y limpia con el flujo de aire cuando vuelve a entrar, de modo que el escudo térmico se elimina y parte del calor se transfiere a la estructura profunda.

La velocidad de ablación se puede calcular de acuerdo con la velocidad de vuelo de la ojiva, el radio de la punta, la densidad atmosférica, la entalpía del flujo de aire y las condiciones de flujo laminar y turbulento para determinar el espesor de ablación. Al calcular el modelo de respuesta térmica, se deben considerar la transición de la capa límite y la ablación final, y el programa de cálculo debe poder formar automáticamente una nueva cuadrícula de la forma de ablación.

Los datos de transición de la capa límite tienen un efecto sobre el modo de fractura y la dirección de fractura de la ojiva de grafito. El daño de la ojiva carbono-carbono es causado por la propagación de grietas, y su estándar de daño aún se encuentra en la etapa de investigación.

La etapa de reentrada de la ojiva también puede encontrarse con un entorno de explosión nuclear. Los rayos X generarán un gran gradiente de temperatura y un gradiente de presión dentro del material de la ojiva, formando así una expansión adiabática violenta y un paso de presión.

La propagación de ondas de choque térmico en la carcasa hará que el material se astille. El material sufrirá un cambio de fase bajo la irradiación de rayos X. El estudio de la respuesta dinámica de la estructura bajo irradiación de rayos X es un contenido importante del análisis de la estructura de la ojiva.

La ojiva recuperada golpea el suelo a gran velocidad, y la aceleración del impacto puede llegar a más de 40.000 g . Al mismo tiempo, se acompaña de alta temperatura, que debe ser analizada por el método de la mecánica explosiva. Debido a la complejidad del problema, los resultados del cálculo generalmente se verifican mediante experimentos que simulan el entorno de reentrada y el impacto de alta velocidad en el suelo.

El análisis de la estructura del cohete también incluye análisis de resistencia estática, análisis de resistencia dinámica, análisis de resistencia térmica y análisis de fatiga y fractura de estructuras de paredes delgadas, estructuras rígidas, estructuras sándwich y estructuras compuestas.

El método de elementos finitos, varios métodos de subestructura, métodos de síntesis modal y programas de propósito general a gran escala crean condiciones para resolver cálculos de estructuras complejas y a gran escala.

El desarrollo del diseño asistido por computadora ha promovido la automatización del diseño estructural de cohetes. Sin embargo, la estructura del cohete y el entorno de trabajo en el que se ubica es muy compleja, y la gama de disciplinas involucradas es muy amplia.

No basta con apoyarse en métodos de análisis teóricos. Es necesario desarrollar tecnología experimental, datos métodos de procesamiento y análisis estadístico, y combinar los dos aspectos para resolver el problema de la fuerza del cohete.