Structural assessment of a solid propellant rocket motor: Effects of aging and damage

The aim of this study is to perform structural analysis of a solid propellant rocket motor using the finite element method and to determine the effects of aging on the analysis results. Thermal and pressure loadings occurring during the shipping, storing and firing are considered to be the most critical in determining long-term behavior of the motor. Stress and strain distribution in the rocket motor under these loading conditions are determined. Maximum hoop strain at the surface of the propellant and bond stresses at the interface between the liner and the insulator are evaluated as indicators of cracking in the propellant grain and debonding at the liner–insulator interface. The analyses are performed for both unaged and aged propellants. The results can be used to estimate the service life of the motor.     

量化六自由度并联机构工作空间的六维超椭球体计算方法及其应用

基于头盔伺服系统执行机构的结构优化设计需求,提出了一种量化六自由度并联机构工作空间的六维空间超椭球体的计算方法,该方法的计算过程包括二维包络椭圆的求解和六维超椭球体的计算两部分。首先,重新总结和归纳了包络椭圆的定义,提出了包络椭圆的计算方法,在计算过程中提出了椭圆中心坐标修正步长、包络椭圆的两半轴长修正因子以及纵轴半轴长修正步长等概念,实现了对椭圆中心和半轴长的动态修正,提高了包络椭圆计算的准确性和智能化水平,采用调整系数来实时修改修正步长,保证了计算过程的收敛性;其次,给出了判定包络椭圆的条件和方法,方便了对计算方法有效性的验证;再次,提出了根据投影面内包络椭圆几何信息求解六维超椭球体的方法;最后,对包络超椭球体的计算方法进行了实例计算与验证,并通过实例计算对该方法用于六自由度并联机构工作空间优化的可行性和实用性进行了验证。结果表明:各投影面的包络椭圆均符合判定条件,即本文对包络椭圆与超椭球体的计算是准确的;优化结果对应的工作空间内接六维超椭球体能完全包含目标工作空间的包络超椭球体,即采用超椭球体来量化和优化六自由度并联机构工作空间是可行的,且具有较好的实用性。     

铝合金盘型件等温辗压过程中晶粒尺寸演化的数值模拟与实验验证

 为了揭示盘型件双面辗压成形过程中微观组织的演化特征,应用数值模拟方法研究了这一成形过程中所发生的动态再结晶和晶粒长大规律.所研究的盘型件材料为铝合金6061,辗压成形温度为350~500 ℃.晶粒尺寸演化规律的数值模拟结果与实验结果基本符合.与整体锻造不同,双面辗压成形没有变形死区,并且越靠近盘型件表面晶粒细化效果越好;辗压头通过对盘型件厚度方向压缩和表面环向剪切两种方式驱动盘型件变形.计算结果表明,即使压下量零增量辗压也会在沟槽附近产生显著变形和晶粒细化,这说明盘型件变形和组织演化主要源于辗压头对盘型件表面的环向剪切;多遍次辗压过程中,第1遍次辗压对晶粒细化的贡献最大,后续辗压的贡献较小;提高成形温度可能会出现动态晶粒长大区,在这种情况下,盘型件上的点将交替发生动态再结晶和动态晶粒长大,最终晶粒尺寸会有一定程度增加.     

Al-Zn-Mg-Cu合金多道次热变形及固溶处理过程中的晶粒演变

定量研究Al-Zn-Mg-Cu合金多道次热变形及固溶处理过程中的晶粒演变。采用Gleeble 1500D热模拟机进行热压缩实验,采用电子背散射衍射(EBSD)定量表征微观组织。主要研究变形量、变形道次、变形温度以及变形速率对平均晶粒尺寸、再结晶体积分数、大小角度晶界比例等微观组织特征的影响。结果表明:平均晶粒尺寸、再结晶体积分数以及小角度晶界比例均随着变形道次的增加而降低;随着温度的升高,大角度晶界比例减小,小角度晶界比例升高;平均晶粒尺寸和大角度晶界比例随着变形量的增大而减小,而小角度晶界比例的变化则呈现出相反的趋势。     

基于混合优化算法的固液发动机装药优化设计

为了减小固液发动机工作过程中氧燃比的变化导致的比冲等性能损失,提出基于差分进化和克隆选择的混合优化算法,建立装药优化问题的优化模型和优化流程,采用惩罚函数处理约束条件,对某型固液发动机进行了装药优化和分析.结果表明该优化算法和流程性能良好,优化后发动机的性能得到了明显提高,减小了余药质量分数和工作压强,改善了燃烧室和喷管的工作环境,且平均比冲提高了1.2%.      

Design and optimization of solid rocket motor Finocyl grain using simulated annealing

The research effort outlined the application of a computer aided design(CAD)-centric technique to the design and optimization of solid rocket motor Finocyl(fin in cylinder) grain using simulated annealing.The proper method for constructing the grain configuration model,ballistic performance and optimizer integration for analysis was presented.Finocyl is a complex grain configuration,requiring thirteen variables to define the geometry.The large number of variables not only complicates the geometrical construction but also optimization process.CAD representation encapsulates all of the geometric entities pertinent to the grain design in a parametric way,allowing manipulation of grain entity(web),performing regression and automating geometrical data calculations.Robustness to avoid local minima and efficient capacity to explore design space makes simulated annealing an attractive choice as optimizer.It is demonstrated with a constrained optimization of Finocyl grain geometry for homogeneous,isotropic propellant,uniform regression,and a quasi-steady,bulk mode internal ballistics model that maximizes average thrust for required deviations from neutrality.     

含缺陷固体装药燃烧异常实验分析

利用高速实时Ｘ射线荧屏分析技术,对固体火箭发动机装药经常出现的主要缺陷导致的异常燃烧现象进行研究,提出了含不同类型缺陷装药结构破坏的条件和模式,描述了推进剂裂纹、气孔和脱粘槽穴内的点火、燃烧和结构变形现象,分析了双基、丁羟、ＮＥＰＥ推进剂裂纹进一步扩展趋势和临界条件,为评估固体发动机含缺陷装药燃烧安全性提供了实验依据和分析方法。     

5005铝合金分流模挤压过程有限元模拟

采用DEFORM-3D有限元商业软件,利用焊合面重构技术实现了空心型材分流组合模挤压过程模拟,获取了挤压过程中的材料流动行为与流动速度场的规律,结合型材挤出时模拟的应力场和应变场的分布,研究型材挤压的晶粒分布规律并其成因。结果表明:挤压型材的横截面上的应力应变分布与实际晶粒尺寸分布有对应关系,型材挤压成形过程中应力应变集中分布是造成型材边部晶粒尺寸比中心部细小,拐角区域晶粒比直边区域细小的原因。     

发动机装药应变测试方法实验研究

介绍了用弓形传感器测试固体发动机模拟器的装药在硫化降温过程中的应变情况，并将结果与理论计算进行了对比，分析表明：实验结果与计算结果和定性分析结果附合良好，虽然在实验过程中温度控制不够严格，两种结果有一定的误差，但当温度达到基本平衡时，两种结果吻合很好。     

热变形参数对奥氏体再结晶过程的影响

利用热模拟压缩变形试验，对低碳钢在热变形过程中应变速率、应变量和形变温度对奥氏体晶粒度的影响进行了研究，分析了组织细化的原因。     

基于模拟退火遗传算法的平面连续体结构的拓扑优化

采用遗传算法,用染色体基因映射结构离散化后的单元体,通过改变基因代码实现连续结构的拓扑。优化过程中,利用遗传算法进行结构优化,通过有限元技术对结构进行建模和分析。在遗传算法中,引入模拟退火的思想,实时调整结构优化的适应度函数,改善优化分析中个体所处的生存环境,提高优化分析效率,获得较优的结构拓扑效果。算例分析表明所提出的方法是有效的。      

卡箍刚度的有限元计算与实验测定

准确确定卡箍刚度对管路系统的振动特性分析具有重要意义。本文针对航空发动机管路系统中不同卡箍的结构特点,建立了计算卡箍刚度的有限元模型。对单管接地卡箍及双管悬地卡箍的刚度系数进行了有限元计算,还对一典型双管悬地卡箍刚度进行了实验测定。通过卡箍刚度计算结果与实验结果的对比表明,本文建立的卡箍刚度计算方法可用于管路系统振动特性分析工程实际之中。      

Non-destructive Evaluation of Composite Pressure Vessel by Using FBG Sensors

In recent years, advanced composite structures are used extensively in many industries such as aerospace, aircraft, automobile, pipeline and civil engineering. Reliability and safety are crucial requirements posed by them to the advanced composite structures be- cause of their harsh working conditions. Therefore, as a very important measure, structural health monitoring (SHM) in-service is defi- nitely demanded for ensuring their safe working in-situ. In this paper, fiber Bragg grating (FBG) sensors are surface-mounted on the hoop and in the axial directions of a FRP pressure vessel to monitor the strain status during its pressurization. The experimental results show that the FBG sensors could be used to monitor the strain development and determine the ultimate failure strain of the composite pressure vessel.     

低温环境下固体火箭发动机药柱伞盘结构设计

为提高固体火箭发动机伞盘药型药柱的低温力学性能,可通过调整伞盘药型来缓解其应力应变集中水平。以某固体火箭发动机药柱前伞盘为例,应用三维粘弹性有限元分析方法,分析不同前伞盘药型结构发动机的低温应变场,得到药柱前伞盘最大VonMises应变随伞盘药型结构变化的规律,结果表明药柱伞盘宽度的变化对伞盘顶部应力应变集中的影响最大。再综合考虑内弹道性能和浇铸工艺的要求可确定药柱前伞盘的最佳结构。该方法可为固体火箭发动机药型设计提供定量参考。     

减小半球锥柱型药柱残药率的研究

为了减小半球锥柱型药柱的残药量,分别采用UG NX和MATLAB软件进行了建模和编程计算,得到了药柱燃烧规律和残药率与设计参数的函数关系图,进行了算例分析。计算结果表明,环向槽圆弧半径的取值越大,残药率越小,且残药率减少幅度增加;残药率与内孔半径呈现负相关关系;残药率与环向槽圆弧圆心旋转半径呈现近似抛物线关系,旋转半径值变大时,残药率先增大后减小;残药率与圆柱段长度呈现近似线性关系。计算结果与实际数据的最大相对误差为0.084%。      

LF6超塑性变形断裂研究

研究了LF6铝合金超塑性变形中的显微组织变化及断口形貌特征。试验结果证明空洞主要在三角界处形核。变形量增加，空洞不断长大，同时有新的空洞产生。晶界滑动是引起空洞长大的主要原因。合金有高的应变速率敏感性，能抑制空洞沿横向晶界的扩展和连接。仅在变形后期，空洞才因试样薄弱处局部应力的增加沿横向晶界大范围扩展连接，并导致合金断裂。变形过程中晶粒的长大和伸长会促使空洞的形核。文中给出了合金超塑性变形断裂的物理模型。     

复杂型面固体装药结构的快速建模技术

高质量的有限元网格是保证计算精度的前提和基础。固体装药结构型面极其复杂,这给有限元的离散带来了很大的困难,为此需要开展快速建模技术研究。快速建模思想是针对固体装药结构具有循环对称的特点,基于CAE软件,对于其中子结构将其分割成具有单一几何拓扑型式的组合体,方便地实现拉伸、映射或者扫掠操作,获得精度较高的结构化网格。针对某一典型星形内孔固体装药结构,详细阐述了快速建模的核心技术,数值模拟了固化降温过程中固体装药结构的应力应变场特征。快速建模技术对于其他类似的固体装药结构有限元离散具有很好的借鉴和参考价值。     

GH4169晶粒尺寸的双目标超声评价方法

针对仅以评价准确性为目标的多超声评价方法易失去单调可评价性这一问题,同时以准确性、单调性为优化目标,提出一种面向GH4169晶粒尺寸的双目标多超声参数评价方法。根据相关性准则选取多超声参数,并构建二次多项式评价关系模型;以平均绝对误差为准确性评价目标,以斯皮尔曼相关系数为单调性评价目标,构建以评价模型待定参数为决策变量的双目标优化问题,并利用多目标优化算法求解获得最终的超声评价模型。结果表明:该方法所确定的模型的偏差与相对误差分别为3.05%与10.69%,这表明其准确度及稳定性均显著优于其他模型。     

临近空间固体动力飞行器发动机与轨迹一体化设计优化

针对临近空间多级固体动力飞行器发动机与轨迹一体化设计优化问题,提出一种基于序列代理优化的高效设计方法。为了准确计算发动机的性能特性,对发动机进行了几何参数化建模,并针对复杂装药的燃面计算,提出了基于移动四面体的燃面计算算法。为了准确评估飞行器的最大航程能力,采用自适应Legendre-Gauss-Radau伪谱法获得给定发动机设计方案下的最大航程。为了提高发动机与轨迹一体化设计优化效率,提出了基于Kriging代理模型的多采样点高效全局代理优化算法,并进行了数值验证。计算结果表明：该优化方法收敛速度快,相比传统参数优化算法可以显著减少耗时目标函数和约束函数的计算次数,并能够有效地实现临近空间多级固体动力飞行器发动机与轨迹一体化设计优化。     

固液火箭发动机装药设计优化

按两类不同的气化速率公式,讨论了固液火箭发动机燃料装药优化设计的方法和程序,并针对某ＨＴＰＢ／ＬＰＸ（或ＧＯＸ）发动机,给出了多孔装药在不同孔数的情形下某些参数随时间的变化以及另一些参数的总体值或平均值,最后应燃料装药设计和配方设计给出了某些结论。