（机械设计及理论专业论文）冷罩的结构设计与应力分析.pdf

南京理工大学硕士学位论文冷准的结构设计及应力分析 ab s t r a c t a i r c r a ft s p ro v id e s a p o w e r f u l i m p e t u s t o t h e d e v e l o p m e n t s tr a t e g y o f f u t u r e m i li t a ry ，s p a c e t e c h n o l o g y a n d c o n s t r u c t u r e o f w e a p o n s y s t e m i n e a c h c o u n t ry ,a n d e v e n e v e ry a s p e c t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y . s i n c e t h e c o n c e a l i n g p r o b l e m o f i n f r a r e d i s o n e o f t h e i m p o r ta n t a n d u n a v o i d i n g p r o b l e m s i n t h e d e s i g n o f h i g h - s p e e d a ir a r a ft s . t h i s t h e s i s t a k e s t h e d e s i g n o f i n fr a r e d c o n c e a l i n g s y s te m o f a c e r ta i n h ig h - s p e e d a i r c r a ft a s p r o j e c t b a c k g ro u n d , c o n s u l t e d 山 。 s tu d y s t a t u s i n h o m e a n d a b r o a d , a n d m a d e u p t h e p r o j e c t , w h i c h i s t o fi m u s h t h e h e a d o f t h e h i g h - s p e e d a i r c r a ft w i t h c o o l i n g e q u i p m e n t u s i n g l i q u i d n i t r o g e n a n d e n a b l e t h e i n f r a r e d r a d i a t i n g fr o m t h e h e a d o f t h e h i g h - s p e e d a i r c r a ft t o b e c o m e v e ry w e a k . a l s o a c c o r d in g t o w o r k i n g m e c h a n i s m a n d d e s i g n i n g r e q u e s t s , c o m p le t e d t h e w h o l e s t r u c t u r e d e s i g n o f t h e c o l d e d -c o v e r , w h i c h i n c l u d i n g m a t e r i a l c h o o s i n g , c o n s t u c t u r e d e s i g n o f i n s i d e a n d o u t s i d e s h e l l s a n d i t s a n n e x , c o o l i n g s y s t e m a n d c o n n e c t i n g s t r u c t u r e d e s i g n . i n o r d e r t o k n o w w h e t h e r t h e c o l d e d - c o v e r i s s a t i 殉 山 e n e e d o f t h e w o r k i n g e n v im n m e r 止t h e n c o m p u t e r i t s t h e t e m p e r a t u r e fi e l d a n d f i e l d o f s tr e s s . t h e t h e r m a l fi e l d a n d s t r e s s o f t h e c o ld e d - c o v e r o f t h e a i r c r a ft i s c o m p u t e d u s i n g fi n i t e e l e m e n t m e t h o d . t h e t e m p e r a t u r e e ff e c t w h i c h h a s b e e n c a l c u l a t e d i s t a k e n a s 山 e m m l l o a d f o r c e d o n t h e b o d y . t h e r e s u lt s s h o w t h a t t h e p r e s e n t d e s i g n o f c o l d e d -c o v e r c a n m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e h i g h - s p e e d 应c r a ft . k e y w o r d s : c o l d e d - c o v e r , f e a , t h efi e l d , fi e l d o f s t r e s s , 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了 加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人己 经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已 在论文 中作了明 确的说明。 研 “ 生 签 “ :礴一 ol 年 夕 月 夕 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档，可以 借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网 公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 却年 ) 月 夕 日 南京理工大学硕士学位论文冷翠的结构设计及应力分析 1绪论 1 . 1引言 现代战争中， 最大限度地增强部队的打击力和提高部队的生存力， 始终是战争中 面临的最大课题。 隐身技术也就随之产生。 从广义上说， 隐身技术是一种如何减少目 标的可探测性， 使目 标不易被探测发现的技术， 是人们在长期的探测和反探测斗争中 不断探索逐步发展起来的一种反探测技术。 作战中的隐身思想， 可谓由 来己 久。 但现代意义上的隐身技术， 只不过才数十年 的历史。 在战争史上， 各国为了 提高武器装备和官兵的战斗生存能力， 曾 想出 许多伪 装和隐蔽的 方法， 如各种伪装服、 伪装网、 保护色涂料等， 并收到了很好的效果。 但 这些方法和手段主要是针对可见光侦查的，而随着无线电 探测技术和探测手段的发 展， 以 及其它各种非可见光技术和各种反伪装技术的 逐步完善与应用， 原有的各种传 统机械伪装方法已 基本失去效能， 于是逐渐出 现了 现代意义上的隐身技术。 目 前提高 隐身性能的途径主要包括采用雷达吸波材料和外形隐身设计。 本文研究的是红外隐身 的冷屏技术。 1 . 2红外隐身技术的发展 红外隐身技术经历了 探索时期 ( 6 0 年代以前) 、 技术全面发展时期 ( 6 0 - 7 0 年代) 和应用时期 ( 8 0 年代至今) 三个阶段。 光电隐身技术于7 0 年代末基本完成了 基础研 究和先期开发工作， 并取得了突破性进展，己由 基础理论研究阶段进入了 使用阶段。 从 8 0 年代开始，先进国家研制的新型飞机、船舰和坦克装甲车辆等已 广泛采用了红 外隐身技术。 红外隐身技术就是降低和改变目 标的红外辐射特征，从而实现目 标的低可探侧 性。 这可通过改进结构设计和应用红外物理原理来衰减、吸收目 标的红外辐射能量， 使红外探测设备难以 探测到目 标。 目 标的红外隐身应包括三方面内容， 一是改变目 标 的红外辐射特性， 即改变目 标表面各处的辐射率分布: 二是降低目 标的红外辐射强度， 即通常所说的热抑制技术;三是调节红外辐射的传播途径 ( 这包括光谱转换技术). 红 外 隐 身 技 术 在 多次 局部战 争中 有 不 俗的 表 现 v .目 前美国、 英国 、 前苏 联、日 本、 瑞典、 法国等国 家都在加强隐身兵器的研制， 并且已经取得了很大进展。 隐身兵 器已由 基础理论研究阶段进入了 试验和应用阶段。 隐身轰炸机、 隐身战斗机、 隐身直 升机、 隐身军舰、 隐身导弹、 隐身坦克等相继问 世。 美国在研究和应用隐身兵器的成 绩尤为突出。 美国 研制的b - 2 隐身战略轰炸机( 图1 . 1 . 1 ) 及f -1 1 7 a 隐身战斗机( 图1 . 1 . 2 ) . 自1 9 8 8 年1 1 月首次露面以 来， 已 经引起各国的 广泛注意， 这两种隐身飞机在外形上 一t 南京理工大学硕士学位论文 冷革的结构设计及应力分析 1 . 3冷屏技术的 发展 在某些高速飞行器上， 红外隐形主要采用的是冷屏技术。 冷屏就是由 金属壳制成 的壳体， 其内外壁之间形成空腔， 通入制冷剂。 通过壳体把整个高速飞行器的头部罩 ， 起 来， 使高 速飞 行 器头 部的 外 表 面冷 却到 红 外导引 头 难以 发 现的 程度。 现 有的 冷屏壳 材料采用的均是铝合金， 并且用热绝缘栓和高速飞行器头部的挡热层连接在一起， 中 间 用镀铝聚醋薄膜和尼龙网多次盈层组成的绝热层， 对冷屏作热绝缘。 这样，由 外及 里， 依次为充液氮的冷屏、 绝热层、 高速飞行器头部的挡热层和高速飞行器头部。目 前， 冷屏技术的使用还在起步阶段， 大多数应用在导弹的防御系统上， 但总体上研究 得相对比 较少。 1 . 4研究本课题的愈义 由上述可见隐身技术对于现代战争越来越重要。 本文所研究的冷屏罩也是为了解 决高速飞行器的隐身问 题。 一般地， 某些高速飞行器如导弹都经历了 爬升、 穿出大气 层、自由 飞行段 ( 真空段飞行) 、再入段到落地这样的过程，在高速飞行器的不同飞 行阶段， 飞行器头部经历的热环境是不一样的。 在主动阶段， 虽然飞行器头部处于稠 密的大气层中，但由于这时候高速飞行器的速度较小，因此产生的热量也就比较小。 随着高速飞行器在主动段的加速飞行， 高速飞行器周围的大气密度逐步减小， 因此热 现象并不严重。 从总的趋势来看， 高速飞行器头部经受的热影响随着高度升高而趋势 缓慢。 在自由飞行阶段，周围环境虽然是真空，不受气动的影响，飞行器的头部由于 受到太阳强烈的直射， 温度急剧上升， 将产生声， 光，电波等探测的物理现象， 这将 使高速飞行器因被对方红外侦察定位而处于暴露地位。 并且高速飞行器在真空中飞行 的时候， 是靠惯性飞行的， 没有动力装置， 人在地面较难控制， 这时候红外隐身就显 得非常重要。因此， 本文针对现有的冷屏技术进行研究， 设计冷罩的具体结构。 冷罩 的 研究对国防事业具有重大的意义。 1 . 5本文研究的主要内 容 本课题主要是针对高速飞行器在太空中高速飞行阶段受到太阳光的直射引起温 升造成红外辐射特征增强的 情况下， 提出了冷罩结构设计的问 题。 冷罩是放置制冷剂 冷却装置并实现高速飞 行器头部降温功能的装置。 本文主要根据冷罩的设计要求和工作原理， 设计冷罩的整体结构， 并在热传学的 基础上， 采用a n s y s 大型软件包分析冷罩外壳的温度场和应力场，并完成冷罩在室 内 环境的实际工作的 模拟， 根据计算结果以 及实验侧试结果对所设计的结构进行了分 析。具体的研究工作如下: 南京理工大学硕士李位论文 冷策的结构设计及应力分析 1 .冷罩的整体结构设计 根据国内 外研究的 现状， 分析冷罩的设计要求以 及工作原理， 提出 冷罩的整体结 构方案， 并对各个细节进行设计， 包括冷罩的内 外壳的 设计， 制冷系统的设计， 隔热 保温结构的设计以 及密封结构的设计。 2 .冷罩外壳温度场的有限元计算以 及a n s y s 模拟 以 a n s y s 大型分析软件为手段， 采用三维实体造型建模， 充分考虑冷罩的工作 环境， 确定其边界条件， 对冷罩外壳的温度场进行有限元分析， 并分析温度场的结果。 3 . 对冷翠外壳热应力的计算以 及对计算界结果的分析说明 在冷罩外壳温度场有限元分析的基础上， 采用热和结构祸合的方法， 进行冷翠外 壳的温度梯度应力分析，并根据所得到结果对冷翠结构的设计进行评价。 4 . 对冷罩的工作过程的模拟实验 把设计出的冷罩结构按比例加工成形，并对冷翠在室内环境下的工作过程的模 拟。 通过实验所测数据与有限元理论计算结果相比 较， 验证理论分析的合理性， 并通 过实验结果对所设计的结构进行评价，提出优化的结构方案方向。 南京理工大学硕士学位论文 冷早的结构设计及应力分析 2冷翠的设计 本章以 冷屏技术为 基础设计了具有冷屏功能的冷革。 冷罩的功能特殊， 结构复杂， 而且工作环境较恶劣， 这对冷罩结构设计提出了很高的要求。 本章从材料选取、 结构 设计、制冷系统设计、连接形式设计等方面来详细讨论冷罩的设计。 2 . 1 冷翠的 整体结构设 计方案 总体方案设计是冷翠设计的核心环节，是保证冷罩设计水平和质量的 重要步骤。 方案设计过程是创造性思维过程， 其主要工作内容包括: 研究给定的设计任务、 构思 实现功能的原理和方法、 选择工艺原理、 确定技术过程、 分析结构布局、 拟定设计方 案并进行设计方案评价， 确定能实现预定设计目 标的最佳方案。 以下将对其中的重要 过程做出论述。 图2 . 1 . 1 某型高速飞行器的钝形头部外形 2 . 1 . 1 冷翠的设计要求 以 某高 速飞 行器的 钝形头部 ( 图2 . 1 . 1 ) 为 例来讨论冷翠的设计. 其外形为一球与 截锥体的组合， 球与锥平滑过渡。 为了使冷罩更好地达到冷却效果， 冷罩贴附在高速 飞行器的钝头锥外表面。 当高速飞行器在太空中飞行时， 通过在冷翠壳内 通入制冷剂， 制冷剂汽化后带走冷翠外壳由 于强烈的 太阳直射而引起的 温升， 从而减小红外辐射特 征。因此，为了满足冷罩的正常工作，必须满足如下设计要求: 1 .冷罩装置总体质量应尽量轻，以不增加高速飞行器飞行时工作载荷: 2 .冷罩必须携带一个特殊结构的制冷容器，该制冷容器应有足够的容量来存放 - 一 - - - - - - - - 一 - - - - 一 一 - - 一一 南京理工大学硕士学位论文冷军的结构设计及应力分析 制冷剂，从而保证高速飞行器飞行过程中的正常工作: 3 .制冷容器与冷翠之间 应包含自 动控制装置，以 控制制冷容器向 冷罩充制冷剂 的时间和流量; 4 .冷罩装置应紧贴高速飞行器，联接牢固:另外， 冷罩装置在飞行中应不影响 钝头锥运行状态和轨迹: 5 .冷翠在工作过程中 应该满足一定的可靠性，即在工作过程中不发生大变形甚 至受到破坏。 在这些要求中， 冷翠的总体装置尽可能的轻是设计是首要考虑的问题。 其次， 冷 翠需要一个能够制冷的装备， 能 够为冷翠的工作提供冷源， 从而能够降 低高速飞行器 钝形头的温度。 冷罩工作的可靠性也是一个很重要的因素， 这将决定冷罩完成任务的 能力。 2 . 1 . 2冷翠的整体结构方案的 确定 2 . 1 . 2 冷翠的总体结构方案图 1目形排气塞; 2冷革 外壳 : 3内外壳隔梁; 4玻璃纤维布: 5冷翠内壳: 6彼铝聚酷薄膜 : 7钝头锥:8环型喷管组件; 9控制阀 块;1 0杠杆控制装里;1 1 环型杜瓦瓶: 1 2钝头锥后控 制动力装咒 :1 3头部整流翠。 根据总体设计要求， 设计的冷翠总体结构方案( 图2 . 1 . 2 ) 所示。 冷罩附着在钝头 锥体( 7 ) 表面，其主体由内外壳( 2 , 5 ) 组成，中间留 有间隙，并填充有具有毛吸作用 的多孔介质材料( 4 ) ， 在内 外壳体之间有起支撑作用的隔梁( 3 ) 。 冷罩前端开有排气孔， 制冷剂汽化后的气体通过圆形排气塞( 1 ) 排出。 冷晕内壳的内表面具有挡热层( 6 ) ， 以 7 南京理工大学硕士学位论文冷革的结构设计及应力分析 阻隔高速飞行器的热传递到罩壳上。 冷罩系统后端为环形状制冷容器( 1 1 ) ， 其中注有 制冷剂， 环形杜瓦瓶( 1 1 ) 通过控制阀( 9 ) 和输出 管路与冷罩壳体相连. 控制阀( 9 ) 由杠 杆机构( 1 0 ) 控制， 按工作要求适时打开， 使液氮及时流入冷罩壳体。 控制机构的另一 端用爆炸螺栓相连。 制冷剂可通过连接壳体后部与制冷容器的管路和控制阀进入冷翠 壳体内。 为使制冷剂沿圆周方向均匀地充满冷罩内腔，并防止对高速飞行器产生反冲力， 制冷剂通过周向 均匀开有小孔的环状喷管进入冷罩， 而充填在内、 外壳体之间的多孔 介质材料， 一方面通过毛吸作用将制冷剂均匀渗透到外罩的内表面， 另一方面可减缓 制冷剂的向前渗透速度， 增强制冷效果。 制冷剂汽化后最终从冷罩前端的排气塞排出。 为防止滋出的气流冲量影响高速飞行器的飞行轨迹，排气塞 ( 图2 . 2 . 2 ) 上的排气孔 沿圆周方向均匀分布。 :二 二 冷翠内充 图2 . 1 . 3 冷翠工作示愈图 2 . 1 . 3冷翠的工作原理 冷罩利用制冷剂汽化吸收热it， 从而使壳体外表面受冷降温从而实现红外隐身。 其工作过程为: 当高速飞行器发射脱离大气层， 其头部外侧起保护作用的整流罩由于 联接的爆炸螺栓爆炸断裂而分离， 爆炸螺栓锁定的制冷容器阀门开启机构在弹簧力的 作用下将阀门打开; 制冷容器中的制冷剂通过管路、 阀门和环状喷管充入冷罩的后部 壳体: 充入冷罩内的 制冷剂在压差的作用下往前流动; 制冷剂在往前流动的过程中汽 化 ( 图 2 . 1 . 3 ) ，并吸收外罩由 于强烈的太阳辐射所产生的热量，从而降低冷翠壳体 表面的温度，减小红外辐射特征。 2 . 1 . 4冷革材料的选择 在冷罩的结构中， 内外壳体是冷罩的主体， 而冷翠的结构设计中 要求冷罩的整体 吕 育京理工大学硕士学位论文冷革的结构设计及应力分析 结构尽可能的轻， 以 不增加高 速飞行器发射时的工作载荷。 另一方面， 要求冷罩有较 高的刚度， 以能承受由于温度变化和压力引起的变形。 因此， 在冷罩的内外壳选择材 料时， 应以上面两个条件为选取的主要准则， 另外还要考虑材料的加工性能和成本等。 依据以 上的 准则， 查阅材料手册， 经分析得出: 冷罩的内 外壳体可选的有铝合金、 饮合金或非金属的碳纤维材料等。 1 .铝合金材料特性 铝合金是以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金， 是轻金属材料之一。 铝合 金除具有铝的一般特性之外， 由于添加合金化元素的种类和数量的不同又具有一些合 金的 具体 特征. 铝 合 金的 密 度为2 .6 3 - 2 . 8 5 g / c m ， 具有 较高 的强 度为1 1 0 一 6 5 0 m p a . 比强度接近高合金钥， 比高度超过钢， 有良 好的 铸造性能和塑性加工性能，良 好的导 电、导热性能以及良 好的耐蚀性和可焊性。 2 . 铁合金材料特性 铁合金是以 钦为基添加一定量其他合金化学元素的合金，也是轻金属材料之一。 钦合金具有密度低、 比强度高、 抗腐蚀性能好， 工艺性能好等特点， 是比较理想的材 料。 3 .碳纤维材料特性 碳纤维材料是复合材料的一种。 复合材料是指由两种以上物理和化学上不同的物 质组合起来而得到的一种多相体系， 符合材料具有较高的比强度、抗疲劳性能好、减 振性能好、破损安全性好、耐热性能好、成型工艺性好、性能的可设计性好等优点。 碳纤维材料主要是由 碳元素组成的一种特种纤维， 其含碳量随种类的不同而异， 一般 在 9 0 %以上，碳纤维具有一般碳素材料的特性， 如耐高温、耐摩擦、导电、导热及 耐腐蚀等， 但与一般碳素材料不同的是， 其外形有显著的各项异性、 柔软、 可加工成 各种织物， 它有很高的强度。 碳纤维比重小， 有较高的比强度， 是一种先进的航空航 天材料，可以使结构减轻。 比较上面三种可供选择的材料可知: 钦合金材料比重较大， 价格较贵; 铝合金虽 然比强度不如钦合金， 但是比强度的不足可以通过冷翠的结构来改普; 碳纤维材料虽 然比重小，强度好， 但由于其要求整体成型，且价格较贵( 三种材料的基本性能以 及 比强度值见表2 . 1 . 1 ) 。因此，综合上面所述，本文在方案设计时， 采用了比重较小， 综合性能较好的 硬铝合金材料l y 1 2 ，该材料特点为: ( 1 )焊接性能良 好，密封性易保证: ( 2 )低温性能比 较好，不易冷脆、开裂: ( 3 )塑性好，对应力集中不敏感; ( 4 )经处理后耐腐蚀性好。 而这些优点正好能满足冷翠的设计要求。 一- -一， 冷策的结构设计及应力分析 对于冷罩的其它组件，由于其体积小， 故选择材料时，比重轻不再是最重要，主 要考虑的 是材料的 低温性能。 因此， 在环型喷管组件中， 包括环型喷管、 管头等采用 紫铜， 其他管道以及与贮氮容器连接用的管道均采用聚四氟乙 烯管， 两者均具有良 好 的低温性能。 冷罩的内壳贴材料为玻璃纤维毡。 玻璃纤维毡是一种新型功能材料和结 构材料。 它具有耐高温、 抗腐蚀、强度高、比 重、吸湿低、延伸小及绝缘好等一系列 优异特性。 本文就利用玻璃纤维导热性低及吸湿性小等特性， 将玻璃纤维制品用作保 温绝热材料。 表2 . 1 . 1铝合金、 性合金与碳纤维材料的基本性能参数 狠 弹性模t ( i ( p a ) 屈服极限 ( e 6 a ) 强度极限 ( w n 相对密度 ( b / c m ) 泊松比比强度比刚度 l y 1 2 铝合金 7 0 5 6 03 0 04 212 . 7 10 . 3 11 6 1 +2 6 0 3 6 t c 4 钦合金 1 1 0 7 4 09 5 34 1 0 6 04 . 52 2 02 460 : 碳纤维 2 3 5 2 加1 0 191 . 66561 4 7 0 0 0 2 . 2冷翠构件的结构设计 由 冷罩整体结构方案的分析可知， 冷罩的主要结构部件包括: 内外壳、 制冷系统、 连接机构、密封机构、绝热保温机构等部件。下面分别对各部件分别进行设计。 2 . 2 . 1 冷翠内外壳的设计 冷罩内外壳的设计包括内外壳体的形状和结构的设计、 内外壳间的支撑设计以及 内外壳的附件一一排气塞的设计。 2 . 2 . 1 . 1内 外壳体的 结构设计 内 外壳是冷罩上体积最大的部件， 也是冷翠上最重要的部件之一。 内 外壳的设计 要求有: 1 . 内壳与高速飞行器连接; 2 . 外壳与整流罩连接; 3 . 内 外壳之间为 双层中空结构，工作时使制冷剂流过; 1 0 南京理工大学硕士学位论文冷翠的结构设计及应力分析 4 . 内外壳在工作过程中不发生影响工作效果的变形。 针对冷罩内 外壳的设计要求， 冷罩的内 壳与高速飞行器的头部紧贴， 因此， 冷罩 的内壳的形状与高速飞行器的形状一致， 尺寸也相当。 为了方便制冷剂的流动， 外壳 的形状也与内壳的形状相当。 在冷罩的设计要求中， 为了 不增加高速飞行器发射时的工作载荷， 要求冷罩装置 总体质量尽量轻。 因此， 冷罩的内 外壳设计成双层的薄壳式结构。 而对于薄壳式结构， 最需要考虑的问题是内外壳的刚度问题。 所谓结构 ( 或系统) 的刚度是指在外载荷作 用下抵抗其自身变形的能力。 在相同的外载荷作用下， 刚度愈大则变形愈小。 刚度也 表明结构 ( 或系统) 的工作能力。 过大的变形会破坏结构或系统的正常工作， 从而可 能导致产生过大的压力， 它也可能破坏载荷的 均衡分布， 使产生大大超过正常数值的 局部应力。 当刚度不够大时， 就会影响安装在内外壳内的容器的正常工作。 因此， 增 强冷罩结构的刚度刻不容缓。 为减少液氮的用童， 理论上内外罩壳的间距应越小越好， 但考虑过小的间距， 一 方面使液氮流动的阻力增大而使内 腔气压增大， 影响壳体的强度和刚度， 并有可能阻 碍贮氮容器中液氮的流出;另外， 过小的间距也不便于液氮喷管的布置。因此，内外 壳之间的间距考虑有一定的要求， 要根据实际情况而定。 2 . 2 . 1 . 2内外壳的 支娜设计 一般地， 结构的刚度与材料的 弹性模量、 变形体断面的几何特征数、 变形体的尺 寸以及载荷及支撑形式有关。而由上面选择的材料以及选择的某高速飞行器的型号， 内外壳的刚度只能与支撑形式有关。 因此， 可以通过采用肋板来加强刚度， 在冷罩的 内壳部分增加箍来提高冷罩的 结构强度。 但冷罩的内外壳间距很小， 为了使工作时制 冷剂能够流畅的通过， 这个加强箍在冷罩上只能以点状分布。 另外， 在冷罩的内外层 图2 . 2 . 1 点 状分布的隔梁的 示愈图 1 1 南京理工大学硕士学位论文冷革的结构设计及应力分析 之间沿轴向加有隔梁， 可以对薄壳结构起到支撑和加强作用，以防止壳体在压力和温 度应力的作用下变形或破坏。 隔梁采用的是抗低温的聚四氛乙烯材料。 采用支撑隔梁 既保证了壳体的刚性， 又可使壳体做得更薄而减轻重t， 为防止隔梁对多孔介质材料 的阻断，隔梁在内 外壳体间仍采用点状分布( 图2 . 2 . 1 ) . 2 . 2 . 1 . 3排气塞的 设计 为了防止液氮充入冷罩后汽化产生的气体从前端渗出时产生的冲量影响高速飞 行器飞行的姿态和飞行轨迹， 在冷罩外壳的前端部开有一小孔， 用来安装圆形排气塞， 排气塞的周向均匀的开着小孔， 从而使气流排出时的作用力相互平衡。 圆形排气塞的 内部结构如 ( 图2 . 2 . 2 ) . 图2 . 2 . 2 日形排气塞示愈图 2 . 2 . 2冷革的制冷系 统设计 根据冷罩的设计要求2 ， 冷罩必须包含一个特殊结构的 制冷系统， 保证制冷剂在 高速飞行器规定的时段内正常的工作。 制冷供给系统主要由 制冷容器、 冷却剂、 阀、 节流孔板等附件组成。 制冷系统的设计考虑的内容比 较多， 主要有制冷原理 电磁 、制 冷系统的结构设计、 控制系统的设计等。以下重点讨论制冷方式的选取， 制冷剂容器 的设计以及控制系统的设计。 2 . 2 . 2 . 1翻冷方式的 选取 一般制冷系统制冷是通过物理方法或者化学方法得到低温来达到冷却效果。 在制 冷系统中， 获得低温是制冷最起码的要求。目 前获得低温的方法很多， 可分为物理方 1 2 有京理工大学硕士学位论文冷翠的结构设计及应力分析 法和化学方法， 其中绝大多数制冷方法属于物理方法。 在物理方法中， 应用最广泛的 是相变制冷和气体绝热膨胀制冷。 此外， 还有涡流制冷、 绝热放气制冷、 温差电 制冷、 氮稀释制冷、 氮减压燕发制冷、 固体升华制冷、 吸附制冷、 顺磁盐或核绝热退磁制冷 等方法。 其中， 相变制冷是利用某些物质集态变化时的吸热效应。 相变包括熔解、 升 华、 汽化、 液化四种。 相变制冷方法有液体汽化、 冰冷却及冰盐冷却、 干冰制冷以及 其它固体升华制冷四种方法。 液体汽化是指利用液体汽化时的吸热效应冷却被冷却物。 冰水冷却是指利用空气 或水作为中间介质将被冷却的热量传给冰， 使冰由于吸收了热量而熔解。 显然， 被冷 却物所达到的温度， 必将高于冰的熔解温度，约在5 - 1 0 的范围内。 冰盐冷却是指 用冰或雪与盐类的混合物冷却其它物质的制冷方法。 由于盐类在水中熔解时要吸收熔 解热， 冰或雪融化时还要吸收融化热， 因此， 冰盐冷却法的冷却温度可以比冰水冷却 的 温度显著降低。 干冰制冷是利用固体二氧化碳升华而制冷。 其它固体升华制冷是利 用除干冰之外的固体制冷. 比较上面四种相变制冷方式， 并参考冷罩的整体设计方案和工作原理， 选择液体 汽化的制冷方式。 2 . 2 . 2 。 2制冷荆的选 取 制冷剂的选择范围较广， 可以是液体、 气体， 也可以是活性、 惰性气体。 最常用 的制冷剂有液氮、四 氧化二氮、 二氧化氮、 氮、 水、 二氧化碳、 空气等。 具体选用哪 种制冷剂，要根据冷罩的工作环境， 冷却方法而定。 由上小节知道， 我们所选择液体汽化的冷却方式。 而液氮具有很低的温度， 其沸 点为一 1 9 5 .8 c ，可以 用作快速的制冷剂。液氮可以 通过专门的制冷设备制取，也可以 在制取液氧的过程中作为副产品而得到。 在空气中， 氮气所占比例最大， 液氮也不像 液氧那样易爆、易嫩; 液氮具有资 源丰富、 安全性能好等优点。 因此， 本文选择液氮 作为制冷剂。 2 . 2 . 3制冷容器的设计 本文的制冷剂贮存器属于一种低温容器。 杜瓦瓶是用来贮存少量液氧、 液氮的一 种典型的 低温容器。 这是一种高真空绝热的 低温容器。 它由 一双层球胆构成， 内 外胆 之间是真空夹层。 球胆上部装有颈管用来注入和倾出 低温液体， 同时也对球胆起支撑 作用。为了防止晃动，内外胆之间用弹性垫固定。在内胆的下部做有吸附腔，内装硅 胶或活性碳， 以吸附可能因工艺或材料不良 而渗入真空夹层内的微量气体。 注入低温 液体后， 吸附剂吸附 气体的能力剧增， 进一步提高了真空绝热的效能。 球胆夹层中的 真空一般抽至1 . 3 3 n i p a 。 杜瓦瓶具有用钢板焊成的外壳， 胆与外壳之间 通常充以 矿棉。 南京理工大学硕士学位论文 冷里的结构设计及应力分析 本文中， 就是采用杜瓦瓶的 低温容器来贮放液氮。 而杜瓦瓶的设计主要包括杜瓦瓶内 胆的设计、 内胆绝热方式的设计、 支撑系统的设计、 附 件和容器外胆的设计以及控制 机构的设计。 垫块 附腔 图2 . 2 ) 普通杜瓦瓶结构示意图 2 . 2 .3 . 1杜瓦瓶内 胆的 设计 杜瓦瓶内胆的设计主要包括确定杜瓦瓶内 胆的容积、结构形式和材质。 1 .内胆的结构形式 容器内胆的形状， 分为圆柱形和球形两类， 要根据设计条件的不同做出具体选择。 球形容器单位体积的表面积最小，受力性能也最好，既节约原材料又减少了冷损耗， 同时可以 缩短冷却周期， 但是， 球形容器也存在着不易加工制造、 焊缝多和容器附件 安装困难等缺点。 圆 柱形容器容易成型， 加工方便， 并有较好的结合尺寸。 而在冷翠 的制冷系统中，由 冷罩的结构形状以 及工作情况， 杜瓦瓶选择柱( 环) 形的杜瓦瓶。 2 .内 胆的容积计算 杜瓦瓶的有效容积是指工作状态下， 该容器所允许的最大贮液量， 为了贮存与运 输的安全， 它的几何容积应大于有效容积，以 保留5 % -1 0 %的气体空间。以 下是容 器容量的计算方法: 南京理工大学硕士学位论文冷革的结构设计及应力分析 ( 1 )设计要求和液氮的物理性质: 额定 容积: m l ; 设计压力: 1 标准大气压; 一个标准大气压下液氮气化的温度: - 1 9 5 . 8 c ; _ 饱和状态下密度: 2 . 7 8 k g / c m ( 2 ) 容器各参数的 确定 由 上面所述， 我们选择圆 柱 ( 环 ) 形的内 胆形式， 设圆 柱形筒体的内 直径为d , ， 圆 筒段的长度为l ，则内胆的容积为: v 刃_ ，. =一 刀厂 l= 4 丝 0 . 9 ( 2 . 2 . 1 ) 根据冷罩的 整体设计尺寸， 我们可以 暂定几的 值， 根据式( 2 . 2 . 1 ) ， 可以 得到l 的 值。 图2 .2 a 环形杜瓦瓶结构示意图 3 .内 胆的材质选择 杜瓦瓶内胆的材质选择首先要考虑低温条件下各种材料的机械性能， 主要是要求 材料有足够的韧性。 而且按照冷罩的设计要求1 ，该材料也必须使液氮容器尽可能的 轻， 以满足冷罩整体结构轻的要求。 木文以铝合金为首选材料。 铝合金具有面心立方 晶体结构， 在低温下仍能保持其强度、 塑性和韧性。 同时铝合金重量轻， 且成本仅为不 锈钢的五分之一。 因而铝合金在低温工程中获得了广泛的应用。 我国的l f 2 型防锈铝 ( 相当于美国5 0 0 0 系列铝合金) 易被焊接， 不需要进行焊后热处理， 可作为低温焊接结 构材料。 由于设计压力并不高， 仅一个大气压左右，同时考虑到使用场合对于重量和 体积的要求，选用铝合金l f 2 作为内 胆的材料。 南京理工大学硕士学位论文冷军的结构设计及应力分析 2 . 2 . 3 . 2杜瓦瓶的 绝热结构设计 在杜瓦瓶结构设计中， 如果绝热不好， 液氮就根本无法正常的保存， 液氮的汽化 也就无法实现。因此，杜瓦瓶绝热结构方式的确定很重要。 一般地， 低温容器的绝热方式多种多样， 有普通的堆绝热， 有容器内外胆之间抽 为真空的单纯真空绝热， 也有真空与堆积相结合的真空多孔绝热。 高效的低温容器中 最常用的是多层绝热和多屏绝热方式。 1 .多层绝热 多层绝热又称为高真空多层绝热， 是一种在绝热空间安置许多层平行于冷壁的辐 射屏来大幅度减少辐射热而达到高效绝热之目 的的一种绝热结构。 多层绝热的材料通 常由 低辐射率的屏材料和低热导率的间隔物组成。最常见的有铝箔、镀铅聚醋薄膜、 玻璃纤维布、玻璃纤维纸等。 2 .多屏绝热 多屏绝热是一种多层防辐射屏与蒸汽冷却屏相结合的绝热结构。 用不多的金属屏 与冷蒸发气体逸出管相连接， 利用冷蒸汽吸收的湿热来冷却辐射屏、 降低热屏的温度、 抑制辐射热流、 提高绝热效率。 这些为数不多的金属屏蔽层， 既是多层绝热的防辐射 屏，又可作为燕汽冷却屏，而且有助于消除多层绝热的纵向导热。因此，多屏绝热又 是多层绝热的一大改 进，具有绝热效率高、热容童小、重量轻、成本低廉等优点。 常见的杜瓦瓶都采用高真空绝热的方式。 在真空夹层中， 只有两个壁面之间的辐 射传热及夹层内 残余液体的导热。 如果将夹层内 表面抛光， 或者涂上一层反射性物质， 就形成反射性能良 好的真空夹层，辐射传热量即可减少。这种结构最简单，重量轻， 最符合冷罩设计的要求。 因此， 在贮氮的杜瓦 瓶的内 胆绝热方式就采用高真空多层绝 热方式。 2 . 2 . 3 . 3 杜瓦瓶支 娜系 统的 设计 当外界进入低温容器的热流， 除通过绝热体体外， 还有一部分通过绝热空间的支 撑系统传导， 一个绝热性能差的支撑系统可以抵消应用高性能绝热的效果。同时， 支 撑系统必须具有高的强度， 以承受容器内 液体的重量以 及各种冲击力的作用。 因此低 温容器的支撑系统必须同时满足机械强度和小热流两个相互矛盾的要求。 为了减少通过机械构件的导热， 通常可以采用热导率小的材料， 增加热传途径的 有效长度， 减少构件的横截面积， 以采用高接触热阻的结构形式。 常用的支撑装置有 高强度的不锈钥拉杆，金属和塑料的波纹面的拖带，塑料压块，多触点的多层跌片， 链条或钥丝绳等。 设计中， 首先根据容器的使用场合， 确定容器在运行中各个方向可能达到的最大 冲击加速度。 然后按照支撑系统的几何布置状况， 对其受力情况进行分析， 求出支撑 1 6 南京理工大学硕士学位论文冷里的结构设计及应力分析 拉杆在最恶劣情况下的受力，以此作为支撑拉杆强度和刚度校核依据。 本文采用塑料垫块作为杜瓦瓶的支撑装置。 2 . 2 . 3 . 4附件的设计 低温容器的附件包括低温液体的 进出口管、 压力表、 安全阀的接管、 以 及温度计、 液面计的接管等。 它们的布置要满足容器具体结构的 要求。 同时， 为了 减少露热， 应 尽可能增加这些接管的长度。 同时， 凡是从低温到常温的过渡构件， 都应采用波纹管 连接，以消除温度或冷却过程中的热膨胀和收缩应力。 容器外壳按照常温下承受外压的容器设计规则进行设计即可。 为了 保证内外胆之 间的真空度， 要求容器外胆具有良 好的密封性能。 同时， 容器外壳还要保证具有足够 的强度。 液氮从低温容器中流出来并且汽化达到制冷的目 的需要一个控制的 机构。 这个控 制机构是通过以 下的方式实现的: 爆炸螺栓与外部整流罩相连接， 当高速飞行器进入 大气层的时候， 高速飞行器头部外侧起保护作用的整流罩由于联接的爆炸螺栓爆炸断 裂而分离， 原来由 爆炸螺栓锁定的制冷容器阀门开启机构在弹簧力的作用下将阀门打 开， 使制冷容器里的液氮通过管路、 阀门 和环状喷管充入冷屏罩的后部壳体间， 流出 的液氮在压差的作用下向前流动，达到制冷的效果。结构示意图见 ( 图2 . 2 . 5 ) , 2 .2 . 5控制机构结构图 1 7 南京理工大学硕士学位论文冷革的结构设计及应力分析 2 . 2 . 4绝 热保沮结构的 设计 保温也就是保持温度不变的意思， 在这里的 保温指的是保持低温， 也就是保冷。 对于保温结构的选择， 保冷结构的选择极为重要， 因为冷价值的价格远远高于热的价 值。 同时， 在传热学原理中， 就热传导方向而言， 保冷与保温是相反的。 这就为冷结 构材料的 选择增加了 许多难点。 因为导热过程必然伴随 着空气与湿气的流动， 如果将 保温结构的热流方向 定为正方向， 那么空气与湿气在保温结构体中的流动是由 里向 外 流。 它们虽然不同程度地影响着绝热材料的导热性能， 但是随着操作时间的延长， 材 料的绝热性能终究会逐步得到改善。 而保冷结构却是相反， 空气与湿气是由 外向 里流 动， 一旦进入绝热体， 便永远停留 其中， 它们不仅使材料的导热系数增加， 而且在绝 热体中结冰、膨胀，从而影响绝热材料的性能。 一般地， 绝热保温结构是由绝热层和保护层两部分组成。 绝热保温结构需满足如 下要求: 保证热损失 不超过标准值: 绝热保温结构应有足够的机械强度和良 好的保护 层:绝热保温结构要简单，尽量减少材料的消耗量， 所需材料应能就地取材， 价格便 宜; 绝热保温结构应考虑加工简单， 维修方便，外表整齐美观。 根据采用的绝热材料性质及绝热层的结构形式和安装方法不同， 绝热保温结构通 常有以 下几种: 填充式、绑扎式、 预制块式、喷涂式。 在实际运用中， 绑扎式最为常 用。 它是利用绒、 毡席、 绳或带等半成品及其成品之类的 绝热材料， 在现场折成所需 要的尺寸， 然后包扎在需要保温绝热的物体上， 要求厚薄均匀。绝热保温装置必须做 到两点: 一是尽量减少外部环境传递给液体的热童， 即 拥有优越的绝热性能; 二是尽 量增加该装置的总热容。 由 上面的设计， 冷罩的内壳是通过挡热层与高速飞行器的钝形头部相连接的。 而 挡热层由反射层和间隔层组成， 用来反射和阻隔高速飞行器的热量， 以免热量传到内 翠壁上，从而可节省液氮的消耗。反射层通常是由金属箔制成，厚度在 0 . 0 0 0 5 - 0 . 0 2 二 之间，常见的金属有铝、银、铜、黄铜、 金、 镶、不锈钢等。 用作间隔的 材 料有玻璃纤维布或纸、 尼龙网、 丝绷、 有机聚合物薄膜、 植物纤维纸等，其厚度一般 为 0 . 0 2 - 0 . 1 m m 。另外，镀铝涤纶薄膜也可作为反射层。 我们设计的冷翠是用于低 温隔热的，反射层材料和间隔物都必须耐低温。间隔物中玻璃纤维耐低温性能很好。 反射层材料中铝箔轻， 具有足够的强度和刚度， 辐射系数也比较低， 性价比最好。 本 文选择使用铝箔玻璃纤维布组成的绝热结构。 即反射层为镀铝聚酷薄膜， 间隔层 采用多层玻璃纤维毡。 另外， 在冷罩内壳和外壳之间也可以通过绝热材料来降低热量的传输。目 前， 保 温绝热材料主要有: 泡沫绝热材料、 纤维绝热材料和粉状绝热材料。比较上面三种保 温材料， 发现玻璃纤维不具有以下特点: 轻质、 耐热、 热容量小、 导热系数低、 柔软、 l 日 南京理工大学硕士学位论文冷翠的结构设计及应力分析 良 好的隔热性: 抗热展和热稳定性能: 不易散落、 有一定的抗拉强度: 根据使用要求 可以 剪裁、 缝纫、 易于施工。 由于冷罩的内壳是规则的 截锥形， 故本文利用玻璃纤维 布可以 任意的剪裁的优点，大量地选择玻璃纤维布作为绝热保温材料。 因此， 在冷罩的内壳外表面捆绑玻璃纤维毡， 在内壳的内 表面采用铝箔玻璃 纤维布组成的绝热结构， 并在杜瓦瓶至冷罩的液氮输送管外包覆橡塑材料等这一系列 的保温绝热措施后，就能保证冷翠的保温绝热性能。 2 . 2 . 5连接结构的设计 一个完整的冷罩结构是由 各个部分的零件按一定的方式连接在一起的， 因此， 各 部分的 连接形式的确定是冷罩整体结构设计的一个重要组成部分。 2 . 2 . 5 . 1 连接结构的 形式 连接方式通常分为动连接和静连接两种方式。 把两个零部件连接起来使之没有相 对运动的连接称为机械静连接。 本文中， 冷罩的各个结构之间的接触面一般没有相对 运动，因此，均采用静连接结构形式。而常用的静连接形式有: 胶结、焊接、铆接以 及螺栓连接等。 静连接结构一般将连接材料或元件置于构件的结合面之间， 通过铆钉 或