固体火箭发动机含裂纹药柱应力场有限元模拟的新方法

针对研究固体火箭发动机药柱出现裂纹前、后药柱内应力/应变场的需要,提出利用奇异单元和生死单元技术模拟含三维裂纹药柱的新方法,并利用该方法对固体火箭发动机三维非贯穿裂纹进行模拟,分析药柱裂纹附近区域应力分布的规律。结果表明,该方法便捷有效,尤其适用于对比研究裂纹、脱粘等药柱缺陷引起的应力释放和应力分布的变化。     

固体发动机药柱表面裂纹的处理

工程实际中通常采用于药柱表面裂纹处铲槽的方法来释放裂纹尖端的应力应变集中,以确保药柱含裂纹的固体发动机能正常点火发射.为确定铲槽的深度和宽度,基于线粘弹性三维有限元,首先确定发动机药柱点火发射时的危险部位;其次,在危险部位设置深度不同的裂纹,在裂纹尖端构建三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展,分别计算随着裂纹扩展所对应裂纹深度的各类应力强度因子,由此判断裂纹的稳定性,以确定是否需要对裂纹进行铲槽处理;最后,确定在危险裂纹处需要铲槽的深度与宽度.通过对某翼锥-圆柱组合型药柱在点火发射时的数值分析,提出了药柱危险部位裂纹的处理方法,量化了药柱表面裂纹的处理.该方法可为修复药柱表面含缺陷的发动机提供参考.     

固体火箭发动机药柱裂纹扩展判据的统计分析

针对固体火箭发动机药柱裂纹扩展机理及其危险性研究的复杂性,选择发动机工作过程中裂纹失稳扩展作为发动机判废的标准,采用实验测量和数值仿真的方法,确定出了不同贮存期某型固体火箭发动机在点火发射过程中,其药柱星角处横向贯穿楔形裂纹发生失稳扩展的临界深度,应用数理统计分析,给出了含该型裂纹的发动机安全工作的裂纹深度阈值曲线,从而为制订发动机的判废标准提供理论依据。     

固体发动机药柱公路运输随机振动响应分析

应用有限元法对不同路面、不同车速条件下整弹运输时某火箭发动机的随机振动响应进行了分析，得到了药柱内应力响应的分布规律及最大应力所在部位，为进一步进行药柱的疲劳损伤分析提供了依据。     

包覆药柱界面粘结质量的无损检测

利用错位电子散斑干涉技术，对包覆药柱界面粘结质量无损检测方法进行了研究，分析了影响检测结果的间距、图像判读、加载量、灵敏度和内应力等关键因素。试验结果表明，此方法可以检测最小直径3.6mm的人工脱粘区。     

胶接法修补固体发动机药柱裂纹技术

使用胶粘剂对固体发动机药柱裂纹实施修补,通过单向拉伸试验测定修补区域药柱的力学性能来验证修补的有效性,并使用高温加速老化预测药柱修补区域的贮存寿命;进行了发动机药柱结构完整性分析,比照试验数据和理论计算结果,证明胶接法可对发动机药柱裂纹实施有效修补。     

点火压力下药柱Ⅰ型裂纹扩展仿真研究

裂纹扩展特性是含缺陷发动机药柱结构完整性分析的前提。利用非固有内聚力模型，在有限元方法的基础上结合网格拓扑操作，发展了裂纹扩展仿真方法。以圆管发动机为例，研究了指数型点火压力作用下裂纹扩展的规律。研究结果表明，裂纹张开位移、裂尖横向位置在加载初期增速较大，加载末期增速较缓；随着压力因子绝对值、初始裂纹深度的增加，以及内表面均布裂纹数量的减少，裂纹张开位移会增大；压力因子绝对值越大，点火压力越大，裂纹也越容易提前扩展。初始裂纹深度的增加会在加载初期提前导致裂纹的扩展，在加载的后期，初始裂纹深度的增加反而会延迟裂纹扩展的时间。在加载的后期，尽管裂纹累计扩展次数一致，但裂纹数的增加会导致裂纹张开位移的减小，进而延迟裂纹扩展的时间。     

固体火箭发动机药柱表面裂纹分析

为了分析含表面裂纹的固体火箭发动机药柱在温度、燃气内压与轴向过载联合作用下的扩展情况,在固体火箭发动机的危险截面上沿危险方向预设表面裂纹。采用有限元方法,在裂纹尖端构建三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展,分别计算随着裂纹扩展所对应裂纹深度的应力强度因子,得到了应力强度因子随裂纹深度的变化规律。根据应力强度因子的变化规律,探讨了发动机药柱裂纹扩展的趋势。     

固体火箭发动机燃烧室过载下的三维应力分析

采用三维线性粘弹性有限元模型,对固体发动机药柱、绝热层和壳体的应力场进行了分析,得出了固体发动机在轴向和横向过载作用下的应力。结果表明,药柱的前后端、翼槽和壳体-绝热层交界面均是产生裂纹或脱粘的危险部位,为固体发动机的结构完整性分析和结构设计提供了依据。     

内压作用下壳体刚度对药柱强度的影响

在厚壁圆筒内、外压强作用下弹性应力解的基础上,利用三维问题的应力-应变关系,得到了厚壁圆筒内的应变和位移表达式;由圆管型药柱与复合材料壳体连接处的径向位移连续性条件,得到了内压作用下药柱与壳体之间的压强;讨论了该压强对药柱内应力和应变的影响,给出了药柱内的应力和应变表达式.结果表明,提高壳体圆筒的刚度或减小药柱的m数,...     

固体火箭发动机药柱主动段飞行时应力应变分析

为了探讨固体火箭发动机药柱主动段飞行时的形变、应力和应变变化规律,以星形药型发动机为例,采用三维粘弹性有限元法,根据推进剂药柱的燃烧规律,通过计算发动机药柱在整个工作过程中不同烧蚀情况下各构成部分的结构响应,得到了主动段飞行时发动机药柱在不同环境温度、燃气内压与轴向过载联合作用下位移、应力和应变场随时间的变化规律。结果表明,低温点火发射时,内压增压至峰值时为发动机最危险时刻。     

装药燃烧增压过程中脱粘扩展条件实验分析

研究了在高增压燃烧条件下固体推进剂／绝热层界面脱粘进一步扩展的诱导因素，获得了脱粘传播速度与燃烧室点火压强梯度之间的经验关系及临界压强梯度，提出了三种脱粘扩展模式。研究表明，当脱粘槽较窄并且点火增压梯度较大时，脱粘前沿扩展较快。     

固体火箭发动机界面脱粘裂纹分析

使用有限元法,在裂纹尖端周围布置有限奇异裂纹单元以模拟裂纹尖端附近的奇异性。针对轴对称发动机头部的界面脱粘裂纹,计算了点火内压作用下,发动机衬层/药柱、壳体/绝热层界面不同深度脱粘裂纹尖端的应力强度因子,指出应力强度因子随裂纹深度的发展规律。结果表明,当裂纹深度较小时,衬层/药柱界面处于闭合状态,应力强度因子几乎不发生变化,随着裂纹深度的增加,裂纹呈张开状态,裂纹尖端的应力强度因子不断增大;壳体/绝热层界面裂纹总是处于张开状态,且应力强度因子随裂纹深度的增加而增大。     

某发动机药柱掉块对其结构完整性的影响

针对发动机药柱掉块的现象,进行了发动机的结构完整性分析。基于三维粘弹性有限元分析方法,以某含伞盘药型的固体导弹发动机为例,建立了不同位置、不同大小掉块的有限元计算模型,计算了发动机药柱在内压与轴向过载联合作用下的Von Mises应变场,得到了发动机药柱掉块对其结构完整性的影响情况,其中影响最大的是药柱飞边掉块,而前后翼锥处掉块对其结构完整性几乎没有影响。文中方法和结论为固体导弹发动机的使用和判废提供了技术支持。     

发动机点火过程中压强振荡对人工脱粘的冲击分析

针对固体火箭发动机点火过程,采用流固耦合的方法数值模拟了点火过程中发动机内流场以及药柱人工脱粘附近应力应变的变化情况.计算表明,点火初期发动机内部出现激波,并在药柱通道内振荡传播,随时间减弱为压强振荡.压强波动时人工脱粘缝隙的冲击会影响脱粘缝内流场的分布和应力应变,人工脱粘层尖端应力变化与升压梯度变化存在对应关系.激波对人工脱粘缝隙的冲击会引起装药明显变形,但是不会使缝隙增大.     

变温环境下固体药柱的温度应力分析

为研究外界环境对固体火箭发动机性能的影响,基于推进剂药柱的热粘弹性模型,利用有限元方法对变温环境下的药柱温度应力进行了分析,研究了外界环境不同起始温度、不同升（降）温速率对药柱温度应力的影响,确定了某星型药柱内部的应力危险点。结果表明,外界环境升温导致发动机药柱内部应力下降,初期应力下降缓慢,后期应力下降较快;降温过程导致应力增加,初期增加缓慢,后期增加较快;起始温度、升（降）温速率对药柱危险点温度应力都有较大的影响,但后者的影响更为显著。不管外界环境是持续升温还是持续降温,都应该注意固体火箭发动机在贮存和使用中的“环境保护”。     

固体发动机包覆层与推进剂界面脱粘裂纹稳定性分析

为了判断固体发动机药柱包覆层与推进剂界面脱粘裂纹在燃气内压和轴向过栽联合作用下的稳定性,以翼锥药型并含前后伞盘的固体发动机为例,应用有限元方法,建立界面脱粘的三维有限元计算模型,在界面脱粘裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展。通过在包覆层与推进剂界面上设置不同深度的脱粘,分别计算不同深度时脱粘裂纹的应力强度因子,得到裂纹应力强度因子随脱粘深度的变化规律,由此判断裂纹的稳定性。     

三维药柱固体火箭发动机内弹道数值模拟

介绍了一种适用于工程内弹道计算的数值模拟新方法，用直接积分法计算三维药柱燃面，能得到精确的计算结果，在内弹道计算中，设燃烧产物准定常流动，使用分段解析法进行内弹道的数值模拟。对某翼柱型三维药柱发动机内弹道进行计算，取得了接近实验的结果。