火箭发动机金属壳体的容伤设计问题

本文考虑超高强度钢固体发动机壳体对裂纹、氢脆或应力腐蚀等缺陷的敏感性,及损伤(缺陷)在特定的应力和环境下可能扩展的特性,就壳体的容伤设计问题进行了探讨.根据壳体中可能预存损伤的假设,提出了以容伤系数描述壳体的容伤限.文中以实例给出了使用容伤系数确定壳体水压验证试验压强的具体方法.如此确定的壳体水压验证试验压强,实际上即是存有损伤壳体的最大许用载荷.     

固体发动机复合材料壳体变形分析

用正交异性薄壳理论分析了复合材料壳体的变形,得到了内压作用下圆筒和封头的应变和位移表达式。结果表明,最大工作压强下圆筒的环向应变只与壳体的安全系数及材料的弹性常数有关,与最大工作压强无关。算例表明,计算值与测试结果吻合良好。     

复合材料壳体固体火箭发动机温度载荷下力学响应分析

基于非线性有限元数值仿真分析方法，使用有限元计算软件ABAQUS，分别建立金属壳体与复合材料壳体两组发动机仿真模型，分析复合材料壳体固体发动机的结构完整性，并研究复合材料壳体的各项参数对于发动机装药和壳体的应力场的影响。分析结果表明:在温度载荷下，选用复合材料壳体的端燃装药固体发动机比选用金属材料壳体的发动机具有更好的结构完整性。随着复合材料壳体厚度的增大，装药的应力、应变值均增大，壳体的应力逐渐减小;随着复合材料壳体弹性模量增大或泊松比减小，装药的应力、应变逐渐减小，而壳体的应力、应变逐渐增大。     

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,...     

液体火箭发动机涡轮壳体温度偏高原因研究

分析了液体火箭发动机001～003试车时发生器排气壳体和涡轮进排气壳体的温度变化情况。应用非稳态传热方法对实际结构仿真了003次试车时发生器在不同流量、不同效率时涡轮壳体温度的变化情况,得出了该次试车时涡轮壳体温度偏高的主要原因是发生器燃烧效率偏高。     

自由装填式固体火箭发动机药柱低温点火结构完整性分析

利用三维有限元方法,通过热-机耦合,分析一种自由装填式固体火箭发动机药柱从药柱固化降温到低温点火整个过程中发动机的温度场、总位移、等效应力和等效应变的变化情况,得到了固化降温和点火升压过程中药柱/壳体有无粘接两种情况下发动机的受力情况的不同,并根据最大应变能理论,分析了两种情况发动机药柱的结构完整性;得出了在温度和压强双重载荷下,模量、泊松比、药柱/壳体粘接高度等参数对发动机药柱结构完整性的影响规律,表明该型发动机药柱/壳体粘接高度不宜超过40 mm。     

环境温度引起固体推进剂发动机破坏的概率

固体推进剂发动机常常存放在环境没有防护的场所,因此,发动机会受到可变热应力的作用,材料会因老化和疲劳而降解。可以把温度变化模拟作窄频带随机过程;发动机内的热应力也表现出类似的特征。因为材料性质是按统计规律分布的,所以,热应力超过推进剂强度的概率是与发动机破坏的概率相同的。固体推进剂发动机可以简化作薄壁壳体中的长中空弹性圆柱体(平面应变)来加以分析。首先根据作为时间函数的应力—强度干涉型分析确定发动机日破坏概率,然后,将日破坏概率求和,得出使用期结束时的破坏概率。而后的分析中,除热因素以外,还将引入粘弹性、老化和载荷等因素。     

固体火箭发动机喷管结构完整性分析

通过计算温度场和应力场,分析了喷管在发动机工作过程中的结构完整性。将燃气简化为一维等熵流,以确定喷管内型面所承受的温度和压强载荷。基于三维有限元模型,计算了喷管的瞬时温度场。然后,将温度场分析结果导入结构分析模型,用点．点接触单元模拟喷管材料之间的接触状态,对温度和压强载荷联合作用下的应力场进行了分析。结果表明,喷管结构是安全的。     

脉冲发动机复合壳体的强度分析及优化设计

采用ANSYS有限元软件对脉冲发动机复合壳体进行了结构强度分析和优化设计。用六节点三角形单元对复合壳体模型离散化；给出了复合壳体在临界压力载荷下的失效模式；分别在两种材料层中对最大应力约束下，以减少复合壳体的总质量为目标，对复合壳体的壁厚尺寸和过渡圆半径尺寸等设计变量进行了优化，并对设计变量的敏感度进行了分析。计算结果表明，在工作压力载荷下，安装在轨姿控舱体内的脉冲发动机的强度可以满足设计要求；壁厚尺寸是关键的优化设计变量，优化后脉冲发动机复合壳体的总质量可减轻5．7％。理论分析结果与试验结果相吻合。     

固体推进剂裂纹内点火过程流固耦合数值仿真

利用CFX和ANSYS模拟了固体推进剂裂纹内点火阶段的流固耦合过程.流场边界添加源项模拟装药燃烧的质量添加,CFX计算得出的压强值和ANSYS计算得出的边界位移在2个软件之间传递,实现流固耦合仿真过程.仿真结果表明,裂纹内部燃气压强随时间先增大后减小,之后逐渐稳定;药柱最大应力随时间变化呈波动状态,最大变形量随时间持续...     

树脂基复合材料壳体固化降温过程的热力耦合分析

以树脂基复合材料壳体固化工艺过程为基础,对复合材料壳体的固化降温过程进行了热力耦合仿真计算,采用实体单元建立纤维缠绕壳体的数值分析模型,对壳体固化降温过程模型内部的温度场、轴向位移、应力进行了分析。结果表明,复合材料壳体和绝热层在固化降温过程中温度不断降低,芯模、空腔、芯轴的的温度先升高后降低,固化降温一段时间后,模型内部不同位置的温差趋于稳定;复合材料壳体在降温过程中沿轴向向外膨胀,前封头与后封头极孔处的轴向位移分别为6.5 mm和4.3 mm,芯模和芯轴沿轴向收缩,通过比对,位移仿真结果与实测数据一致性较好;复合材料壳体应力随固化降温时间的增加不断增大,筒段中部裙内缠绕层之间的层间剪应力大于裙外层间剪应力的值,裙连接段处裙外层间剪应力大于筒段中部层间剪应力的值。     

纤维缠绕圆锥壳体设计分析

以纤维缠绕结构的网格理论为基础,建立了纤维缠绕圆锥壳体在内压作用下的平衡方程。求解该方程,得到了纤维应力、纤维厚度和均衡缠绕角的解析解。对螺旋加环向缠绕,从圆锥大端到小端,纤维厚度和均衡缠绕角逐渐增大,纤维应力逐渐减小。利用最大应力强度准则,得到了单一螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕圆锥壳体爆破压强的计算公式。为了使计算的爆破压强与实际结果相符合,纤维发挥强度的选取必须由模拟实验确定。     

Temperature and stress field analysis of conical trapped joint C/C nozzle divergent section

通过计算喷管的温度场和应力场,描述了扩张段在发动机工作过程中温度和应力的变化规律.首先,将燃气流简化为一维等熵流,以确定喷管内的温度和压强分布.基于轴对称有限元模型,计算了扩张段瞬时温度场.然后,将温度场结果导入到结构热应力分析中,分别计算了扩张段的粘接界面接触合力、轴向拉应力和压应力、层间剪切应力随时间变化规律.最后,与螺纹连接的C/C喷管进行对比,得出在目前材料体系下,锥形套式连接的C/C喷管设计是一种较优化的结构设计.     

锥形套式连接C/C喷管扩张段温度场与应力场分析

通过计算喷管的温度场和应力场,描述了扩张段在发动机工作过程中温度和应力的变化规律。首先,将燃气流简化为一维等熵流,以确定喷管内的温度和压强分布。基于轴对称有限元模型,计算了扩张段瞬时温度场。然后,将温度场结果导入到结构热应力分析中,分别计算了扩张段的粘接界面接触合力、轴向拉应力和压应力、层间剪切应力随时间变化规律。最后,与螺纹连接的C/C喷管进行对比,得出在目前材料体系下,锥形套式连接的C/C喷管设计是一种较优化的结构设计。     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

预浸带铺放成型复合材料构件应力场研究

预浸带铺放过程中的温度历程和热应力对复合材料构件成型后的质量有很大的影响。基于生死单元和循环载荷方法,对预浸带铺放成型复合材料构件的应力场进行了数值模拟,利用ANSYS中间耦合方法,实现铺放过程的温度-应力耦合分析:首先对铺放过程的温度历程进行求解,然后将温度场计算结果作为热载荷进行应力场分析,得到了预浸带铺放过程中构件内部的热应力分布及成型后的残余应力,最后分析了不同铺放参数对残余应力的影响。研究结果表明:在各层中,第一层的轴向、横向热应力最大,分别为64.8、11 MPa,随着铺放进行,各层自身的热应力逐渐增大;铺放头移动速度一定,热气温度从500℃升高到700℃时,构件成型后的轴向、横向残余应力分别增大了14、5.5 MPa;热气温度一定,铺放头移动速度从10 mm/s增加到30 mm/s时,构件成型后的轴向、横向残余应力分别减小了23.6、6.12 MPa,随着铺放层数增加,铺放速度对残余应力影响越来越小。     

空间天文望远镜主动制冷焦面结构设计、分析与热实验

对某天文卫星的可见光望远镜载荷CCD焦面工作温度需求进行了分析计算。为满足CCD焦面 -65℃ 的工作温度需求,设计了主动制冷焦面结构。采用有限元方法分析了工作温度下热电制冷器和导热胶产生的热应力,结果表明热电制冷器最大应力为14Mpa,导热胶最大剪切应力为1.2Mpa,均处于许用安全应力内。研制的焦面组件模拟件顺利通过了真空热试验,验证了焦面组件的制冷性能与安全性。     

力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体轴压稳定性分析

为了研究炭纤维缠绕壳体在力热联合载荷下的轴压稳定性,通过试验测试了炭纤维复合材料单层板在不同温度下的弹性常数,计算出炭纤维复合材料壳体在不同温度下的等效弹性常数。基于层合板理论计算了炭纤维复合材料壳体的临界轴压,设计了力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体试验方案,测试了壳体在不同温度下的轴压破坏载荷。结果表明,炭纤维复合材料壳体的临界轴压随温度升高逐渐降低;当使用温度超过树脂玻璃化温度后,壳体轴压破坏载荷呈指数级下降;在临界轴压理论计算公式的基础上取修正系数为0.04,可准确预示炭纤维复合材料壳体的轴压破坏载荷。相关结论和方法可为固体发动机复合材料壳体和外防热结构设计提供依据。     

隔舱式脉冲发动机金属膜片破裂仿真研究

为实现隔舱式脉冲发动机的多脉冲开启功能,设计了十字型、V字星型、米字型、圆弧星型、矩形星型和星圆复合型金属膜片式隔舱结构。根据平板脆性断裂模型的表面裂纹参数的计算公式,分析得到了金属膜片裂纹深度b与临界应力σ_c的关系及临界应力σ_c、临界尺寸a_c与临界应力强度因子K_(IC)的关系;通过三维有限元数值仿真的瞬态动力学分析,发现了六种金属膜片应力均集中在膜片中心及沟槽部位,膜片将首先从这些部位裂开;探索了一种预估金属膜片打开压强的方法,即通过模拟不同峰值压强下膜片的最大主应力,得到最大主应力-峰值压强曲线,则该曲线与临界断裂应力直线的交点对应的压强值,就是金属膜片的打开压强。由此得到了六种结构类型金属膜片的Ⅱ脉冲打开压强预估值,用该方法预估的膜片打开压强1.25 MPa与实际发动机打开压强1.4 MPa相近,表明该预测方法是可行的。     

艇载振动载荷下固体发动机装药有限元分析

潜艇在执行战备值班任务时,艇载固体火箭发动机要遭受复杂环境引起的随机振动载荷作用。在振动载荷长期作用下,会引起固体发动机疲劳损伤导致性能下降。以某固体火箭发动机为例,计算了艇载振动载荷作用下发动机装药的应力应变分布。通过分析计算结果,选取了容易出现问题的两条路径和一个截面,并根据Mises应力和最大剪切应力两种准则,确定了发动机药柱三个危险部位。计算得到了危险部位Mises应力和剪切应力随时间变化曲线。利用雨流计数法对危险点A的Mises应力和危险点C的剪应力循环进行了研究。研究表明,艇载固体发动机装药不可能由于瞬时受力超过极限临界值而发生破坏,振动载荷长期作用下会导致发动机装药累积损伤。危险部位的加载应力循环幅值大多数集中在小应力幅值对应区域。