固体发动机药柱CAD及燃烧模拟分析

本文介绍了固体发动机药柱CAD燃烧模拟分析系统(CAPBAS).该系统使药柱设计直接从三维实体造型开始,模拟药柱燃烧过程,得到药柱燃面退移的图象显示,获得不同燃烧距离下的药柱几何参数和动力学参数,供内弹道性能分析使用.CAPBAS建立了5个数据库,作为图形数据和外界专业计算程序的传输共享界面.应用该系统软件,对两个实际发动机药柱进行了分析.     

无喷管助推器组合药柱研究

为提高无喷管助推器的有效比冲,研究了由2种不同燃速推进剂组成的组合式药柱助推器性能.采用一维非定常变截面有加质内弹道计算模型,考虑推进剂侵蚀燃烧等因素的影响,针对3种方案组合药柱(前后串装分段药柱、恒定厚度层分层药柱、可变厚度层分层药柱)分别进行了数值计算.计算结果表明,组合药柱可使无喷管助推器的压强峰值降低,平均工作...     

药柱变形对发动机内弹道影响研究

通过翼柱药型结构特征简化,研究了药柱在固化降温和工作内压工况下结构变形规律。以药柱内外径和翼倾角作为变形特征参数,对药柱实体模型进行修正,实现药柱变形状态的燃面退移仿真计算,并分析了内弹道的变化。研究结果表明,药柱使用工况内径扩大、翼倾角减小,从而造成肉厚减薄、初始燃面增大,压强曲线会出现前高后低的现象。该文采用的基于药柱变形的内弹道算法,计算结果与试验曲线基本吻合,计算精度高,可供药柱设计参考。     

固体发动机内弹道计算不确定性研究

建立了固体发动机一维混合内弹道计算模型,提出了提高内弹道预估精度的工程方法.采用系统辨识法建立燃速模型、计算药柱初温分布和预估药柱真实燃面,建立了内弹道性能散布分析方法.算例应用研究表明,燃速模型参数不确定性是影响发动机内弹道计算精度的主要因素,除燃速模型参数外,对总冲变化的显著影响因子依次是燃气比热容比、推力系数因子、特征速度因子和药柱密度,对工作时间变化的显著影响因子依次是特征速度因子、药柱初温和药柱密度.     

复合材料壳体固体发动机药柱工作内压三维结构分析

对复合材料壳体的固体发动机药柱在工作内压作用下的变形和三维应力、应变进行了计算。复合材料壳体简化为正交各向异性结构，确定其弹性材料常数和材料的主轴方向，壳体变形计算和多次水压测试结果基本一致，在此基础上进行了药柱的三维应力、应变分析，为药柱完整性分析提供了参考。     

无喷管助推器非定常动边界内流场数值模拟

无喷管助推器依靠药柱的扩张面实现对气流的加速,燃面的线性增加及喉面的指数增加,使其内流场呈现明显的非定常性;侵蚀燃烧、压强的不均匀分布及药柱变形,使无喷管助推器的工作过程十分复杂。通过对FLUENT软件进行二次开发,建立了无喷管助推器的非定常动边界内流场数值模型,考虑了推进剂的点火过程和侵蚀燃烧,可获得各个时刻的燃面位置及内流场分布,从而可对发动机的内弹道性能进行较准确地预示。通过对某无喷管助推器的工作过程进行模拟,内弹道计算曲线与试验曲线吻合得较好。     

固化降温过程中推进剂药柱的瞬态响应分析

应用有限元法,对固体火箭发动机药柱在固化降温过程中的三维瞬态温度场进行了数值模拟,并基于药柱的粘弹性本构关系,计算了由瞬态温度场引起的应力应变响应。给出了危险点的应力应变随时间的变化规律,可供结构整体分析参考。     

某固体火箭发动机药柱温度场有限元分析

为探索环境温度变化条件下固体火箭发动机药柱温度场的一种简单而有效的技术途径,利用有限元传热分析法,对某固体火箭发动机在温度循环条件下的燃烧室药柱温度场进行了研究。针对不同的药柱结构分别建立了二维和三维传热模型,通过对比计算值与试验测试值可知,与三维模型相比,二维传热计算方法可提高药柱温度场的计算效率,且计算结果与试验测试值吻合度较高,可满足试验预测要求。因此在工程分析中,为快速得到有效的分析结果,可采用二维传热模型分析发动机药柱温度场,其中二维无翼槽模型适于模拟药柱远离翼槽部位的温度场,二维有翼槽模型适于模拟药柱翼槽部位的温度场。     

二次燃烧对自力弹射内弹道影响分析

目前弹射所用低温药柱的燃烧平衡产物中含有可燃气体成分,遇初容室内氧气后发生二次燃烧,影响初容室内流场与弹射内弹道特性。为了分析二次燃烧对自力弹射方案内弹道的影响,建立了自力弹射可压缩流动仿真模型,结合有限速率化学反应模型与动网格技术,利用PISO(压力隐式算子分裂法)算法对控制方程进行数值求解。计算结果表明,二次燃烧使得初容室初始压力峰值时刻提前,并影响初始压力峰值大小。仿真分析结果为自力弹射内弹道设计提供了理论参考。     

一体化包覆药柱缠绕应力的数值计算

固体火箭推进剂应用广泛,基于一体化包覆纤维缠绕工艺,对药柱缠绕过程进行数值模拟应力计算。利用ABAQUS建立有限元模型进行数值计算,对药柱各节点应力进行分析。基于实际工况列出预紧力、药柱位移速度、药柱旋转速度、纤维带宽四个工艺参数,对缠绕过程进行动态仿真模拟,同时通过静态模拟多层缠绕工况。计算结果表明,单圈缠绕结束后药柱主体应力在0.060～0.120 MPa内,最大应力为0.202 MPa;预紧力和纤维带宽对于缠绕应力的影响较大,预紧力越大,应力越大,而纤维带宽越宽,应力越小,药柱移速和转速对缠绕应力影响较小;多层缠绕时药柱应力大小会随着缠绕层数的增加而上升,上升速度越来越慢,16层时最大应力可达0.338 MPa,研究结果及数据对于带药纤维缠绕工艺具有支撑借鉴意义。     

串联双燃速固体火箭发动机一维内弹道计算

探讨了双燃速固体火箭发动机一维内弹道计算方法，并给出了混合燃气参数的处理方法，综合考虑了燃烧室热损失，喷管效率，喉部烧蚀和装药的侵蚀燃烧对内弹道性能的影响，为发动机内弹道性能计算提供了一套更实用的工具。     

基于ACIS几何造型平台的固体火箭发动机装药设计

以三维几何造型内核软件ACIS为平台,采用实体造型法进行装药设计,提出了偏移操作复杂燃面和分段控制燃面退移过程的方法,从而解决了装药燃面退移时商业软件无法克服的自相交和特征形体消失等问题。同时,总结了在该平台上进行装药设计的基本原则和方法,即消除几何尖锐点,确保几何形体间相对独立和间接构造复杂结构的装药等。另外,还提出了一个以图形系统为核心,综合装药药形设计、内弹道计算、结构完整性分析和报表输出功能的装药集成设计方案。最后,给出了一个星槽管形装药算例。     

旋转固体火箭发动机内弹道理论与实验研究

本文系统地总结了我们在旋转固体火箭发动机内弹道理论与实验研究方面的某些成果，其中包括含铝丁羟推进剂的试片实验和装药发动机实验以及燃速敏感性预示和内弹道预示，得出了一些有益的结论，可供发动机设计及推进剂配方设计参考。     

固体火箭发动机燃烧室结构径向振动与内弹道性能的耦合计算

研究了由推进剂药柱和壳体组成的燃烧室结构径向振动对发动机内弹道性能的影响。在一维非定常内弹道方程中,分别考虑了结构径向振动对内弹道方程和燃速的影响,研究了在给定燃烧截面内,由于燃烧室压强变化引起的结构径向振动。据弹性力学理论和振动机理,得到了简化的等效径向振动方程;对内弹道和结构径向振动进行了耦合计算,分析表明当内弹道出现周期性的压强振荡时,会引发与结构径向振动之间的耦合作用,使得燃烧室压强振荡振幅上升一个量级,对发动机的工作安全产生危害。     

固体发动机装药CAD

基于计算机图形处理直接获得燃面几何数据,发展了一种装药设计新方法,可以进行装药燃面、质量及惯性随肉厚变化的计算,为一维内弹道计算及流场计算提供更为详尽的数据,还能进行动态燃面推移,使设计者直观地判断其设计的合理性。     

基于非结构网格的燃面推进算法

根据惠更斯波传播原理,构建了一种在通用CFD软件的非结构网格系统上直接计算燃面推进的数值方法。该方法将燃面对应的计算网格面作为一系列平面波源,利用网格几何关系对边界节点奇异性进行判定,通过所有平面波源影响区域的叠加求解新的燃面位置。数值实现过程中,根据节点奇异性和波源影响区域以三维矢量运算得到节点的推进矢量。结合网格的重分,在通用CFD软件环境中实现了燃面的推进,所用数值算法具有良好的精度。另外,对三维动态内弹道模拟中燃面计算的稳定性和精度等问题进行了研究。     

三维药柱燃面的通用积分计算法

在原通用坐标法计算燃面的基础上,提出了一种新的数值积分计算燃面的通用方法.这是一种直接计算燃面的方法。该方法消除了原通用坐标法计算结果随肉厚等份数而变动和计算固有误差的根源.计算结果与原方法、解析解做了比较,表明该方法具有较高的精度.     

Extension of the universal erosive burning law to partly symmetric propellant grain geometries

This paper aims at extending the universal erosive burning law developed by two of the present authors from axi-symmetric internally burning grains to partly symmetric burning grains. This extension revolves around three dimensional flow calculations inside highly loaded grain geometry and benefiting from an observation that the flow gradients normal to the surface in such geometries have a smooth behavior along the perimeter of the grain. These are used to help identify the diameter that gives the same perimeter the characteristic dimension rather than a mean hydraulic diameter chosen earlier. The predictions of highly loaded grains from the newly chosen dimension in the erosive burning law show better comparison with measured pressure–time curves while those with mean hydraulic diameter definitely over-predict the pressures.     

固体火箭发动机内弹道性能仿真

确定了影响发动机内弹道性能的独立随机变量。其中,发动机肉厚与燃面的关系是根据发动机的试车数据,按照无因次肉厚概念对实测压强-时间曲线反算而获得。根据固体发动机内弹道性能预示模型,采用Monte-Cardo法进行内弹道性能的模拟计算。通过对某发动机的内弹道性能仿真,说明该计算方法可行、数据可信。