Page 60 - 《真空与低温》2026年第1期

彭子昂等：无人机机载液氢储罐热力耦合分析与轻量化改进 57

从图 6 可看出，内、外容器的平均等效应力分 硬着陆四种工况进行应力分析，具体载荷设置情况
别为 33.39 MPa 和 6.41 MPa； 储 罐 的 最 大 应 力 为 如表 8 所列。

66.94 MPa，出现在内容器与测压管的焊接位置；由 表 8 四种飞行姿态下的应力计算载荷设置
于结构的不连续，在内外容器的直筒段和封头过渡 Tab. 8 Stress calculation load settings for four flight
区域以及内外容器开孔区域都出现了较明显的局 attitudes
部应力集中。受到温度载荷作用时，在热胀冷缩的 飞行姿态 额外载荷设置
影响下，内容器会产生向中心逐渐收缩的趋势，在 垂直爬升 Y 向 g 加速度
一定程度上减弱了内容器由于承受内压作用产生 紧急制动 X 向 5 g 加速度
的向外膨胀，此时内容器最大变形量为 0.27 mm， 紧急转弯 Z 向 5 g 加速度
硬着陆 Y 向 5 g 加速度
出现在进液管道的自由端。
无人机在工作过程中会受到不同冲击载荷的 图 7、图 8 为不同飞行姿态下液氢储罐的应力
影响，分别针对垂直爬升、紧急制动、紧急转弯和 分布与变形分布情况。

D: 垂直爬升
类型: 等效（Von-Mises）应力/MPa F: 紧急转弯
时间: 1 s 类型: 等效（Von-Mises）应力/MPa
时间: 1 s
2025/11/12 10:07
67.585 最大 2025/11/12 10:09
60.075 69.412 最大
52.566 61.699
45.057 53.987
37.547 46.274
30.038 38.562
22.528 30.850
15.019 23.137
7.509 4 15.425
4.063 3×10 −8 最小 MAX 7.712 5 MAX
6.247 8×10 −5 最小
（a）垂直爬升 （b）紧急转变
E: 紧急着陆 G: 硬着陆
类型: 等效（Von-Mises）应力/MPa 类型: 等效（Von-Mises）应力/MPa
时间: 1 s 时间: 1 s
2025/11/12 10:08 2025/11/12 10:16
76.343 最大 72.409 最大
67.860 64.364
59.378 56.318
50.895 48.273
42.413 40.227
33.930 32.182
25.448 24.136
16.965 16.091
8.482 5 MAX 8.045 5 MAX
1.463 9×10 −5 最小 1.239 6×10 −7 最小
（c）紧急着陆 （d）硬着陆
图 7 不同飞行姿态下液氢储罐应力分布
Fig. 7 Stress distribution of liquid hydrogen tank under different conditions flight attitudes

由图 7 可知，在不同方向的加速度载荷作用下， 标准》规定的应力分析准则，对紧急制动工况下的
储罐的应力分布变化并不明显，液氢储罐的最大应 应力集中区域进行校核。在上述结构不连续区域
力仍出现在内容器与测压管的焊接位置，且紧急制 插入应力线性化路径，提取最大应力进行应力分类
动工况下的最大应力值最大。由图 8 可知，储罐的 校核，如图 9 所示，其中路径 A 为内容器开孔区域，
最大变形量主要分布于测压管水平段，对比四种飞 路径 B 为内容器筒体与封头过渡区域，强度校核结
行姿态可知硬着陆工况下的储罐最大变形量最大， 果如表 9 所列。由表 9 可知，属于 S Ⅳ 应力强度的路
为 1.38 mm；紧急制动工况下的测压管最大应力最 径 A 最大应力为 40.89 MPa，小于 274.30 MPa（3KS m ），
小但内罐的平均应力最大。综合四种飞行姿态下 满足强度要求；属于 S Ⅱ 应力强度的路径 B 最大应
的应力与变形结果可知，紧急制动工况为最危险工 力为 55.36 MPa，小于 137.15 MPa（1.5KS m ），满足强
况，因此需要对该工况下的液氢储罐进行校核。 度要求。两条线性化应力路径的最大应力值均低
根据 JB 4732—1995《钢制压力容器-分析设计 于许用极限。