低温贮箱新型PODS结构设计及传热特性研究

【摘要】支撑结构是低温贮箱的关键部件,对低温液体的承装及漏热有重要影响。航天领域高效低温贮箱支撑结构的使用,将大大降低低温贮箱的漏热量,减少低温推进剂蒸发损失,延长空间探测器在轨寿命。新型被动在轨非连接支撑(简称PODS)作为一种空间应用的高效隔热支撑结构,具有被动在轨非连接特性,对降低贮箱在轨漏热具有重要意义。本文以PODS为研究对象,对其进行了结构优化、材料选择、传热分析、静力学分析、热-结构耦合分析等研究。首先,对PODS接触杆圆锥面进行了开槽的结构优化设计,选取几种典型的不同槽型进行对比分析,确定了漏热量最小的槽型；针对已确定的槽型,分析不同槽数目对PODS漏热量的影响,确定了最优的开槽数目；并建立了优化后的新型PODS结构的有限元分析模型。基于正交实验法设计了新型PODS各零件不同材料组合方案,对PODS进行热分析。以减小、PODS漏热量为前提,综合考虑其疲劳寿命、强度及重量因素,最终确定了PODS各零件的最佳材料组合方案,即主体材料为殷钢,在轨管为石墨环氧树脂管,发射管为S玻璃纤维环氧树脂管。其次,基于已优化的PODS结构及最优材料组合方案,对PODS结构进行传热与静力分析。在发射和在轨阶段,PODS接触杆与冷端体、接触螺母的接触状态不同,其传热路径不同,漏热量也不同。同时,在发射阶段,PODS受拉或受压,力载荷的传输路径也会随接触状态的不同而发生变化,相应的,PODS的主要承力零件所受的最大等效应力也随之发生了变化。最后,进行了PODS在发射及在轨阶段的热-结构耦合分析。通过与静力分析结果对比表明,热变形是热应力和结构应力共同作用的结果,其中,热应力是影响变形的主要因素。不同接触状态下的PODS热变形及漏热量不同。PODS通过改变传输路径,有效降低在轨阶段由支撑结构引起的低温贮箱漏热。对PODS进行传热分析、静力分析及热-耦合分析,能有效反映PODS在真实工况下的工作性能及传热特性,为PODS进一步的结构优化设计工作提供了可靠的分析手段。
【作者】于春柳；
【导师】陈叔平；
【作者基本信息】兰州理工大学，化工过程机械，2014，硕士
【关键词】PODS；结构优化；材料选择；传热分析；静力分析；热-结构耦合分析；

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