固体火箭发动机药柱加压固化仿真

对于药柱外/内径比(m数)很大的贴壁浇注式固体火箭发动机,在固化降温后,推进剂药柱内会产生显著的热应变,这严重限制了发动机的进一步高性能化。加压固化是一种降低推进剂药柱内热应变的有效方法。文中分析了加压固化的原理,推导出了加压固化所需压强与发动机参数之间的关系式,提出了一种两步分析法的加压固化有限元分析方法。针对4种不同壳体材料的圆管发动机,进行了加压固化理论计算与有限元仿真分析,给出了4种壳体加压固化时的推荐压强。     

复合材料燃烧室均布侧压下稳定性分析

利用结构分析软件ANSYS，采用非线性屈曲理论，对某固体火箭发动机的纤维复合材料壳体燃烧室在均布侧压作用下的稳定性进行了分析，考虑了不同药柱碍对屈曲载荷的影响，并与不计药柱时壳体承压能力作了比较。计算结果给出了燃烧室承受侧压能力的初步估计，同时表明，药柱模量的变化对燃烧室临界载荷有很大的影响，其承侧压能力随药柱模量的增大而增加。     

小型固体发动机燃烧室绝热层气囊自动膨胀加压粘贴成型工艺

提出了一种新型的固体火箭发动机燃烧室绝热层粘贴成型工艺。该方法使用成型模具先将绝热层模压硫化成预制件,然后在真空烘箱中,利用封口密闭气囊在真空环境下的自动膨胀加压作用,将硫化预制件粘贴到壳体上。该工艺方法显著特点是封闭气囊内的空气因热效应产生的压力增量抵消绝热套弹性变形的压力消耗。以TI116绝热层的使用为例,利用弹性变形模型计算出了该工艺方法所能适用的绝热层橡胶套的最大厚度,最低固化成型温度。通过拉伸试验确定了所用胶粘剂的固化参数,并对粘接数据曲线的原理进行了初步分析。整个粘贴成型过程中,真空烘箱还同时为绝热层/壳体界面提供了合适的真空度,避免粘贴界面的裹气、脱粘。相比于传统的气囊充气加压成型工艺方法,该工艺方法步骤简化,操作简便,单批次绝热成型壳体数量多,效率高,能很好地保证绝热层尺寸,适合于小型发动机的快速绝热成型。     

模拟壳体/燃烧室外压承载能力研究

为了研究固体火箭发动机的外压承载能力,了解药柱对燃烧室外压承载能力的贡献,文章对设计的模拟壳体和燃烧室进行了外压极限试验,得到了临界外压屈曲载荷.同时采用有限元软件进行了模拟壳体/燃烧室的外压稳定计算,计算结果与试验结果吻合较好.试验和计算结果都表明:虽然推进剂药柱模量较低,但其对燃烧室外压承载能力贡献较大.在固体发动机外压工况下的设计中,外压载荷指标不能仅分配给壳体,还需要综合考虑壳体与药柱的承载能力.     

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。     

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。     

固体火箭发动机复合材料燃烧室外压稳定性研究

为了研究固体火箭发动机的外压承载能力,采用非线性有限元分析方法,对未填充药柱复合材料壳体、带药燃烧室的外压承载能力进行了仿真分析,并采用试验方法对仿真结果进行校验。研究结果表明,带药燃烧室的外压承载能力明显高于未填充药柱的复合材料壳体,药柱对燃烧室的承载能力有增强效果。此外,燃烧室内部充压能够有效提高其外压承载能力,且内部压强与燃烧室外压承载能力几乎呈线性关系。同时,还发现对于环槽加中孔药型,当药柱模量较低时,筒段为外压承载的薄弱部位,药柱模量增加有利于提高燃烧室失稳外压临界值;但是当药柱模量增加至一定程度时,封头由于环槽部位药柱肉厚较薄而转变为新的薄弱部位,药柱模量增加燃烧室失稳外压临界值并不增加。     

固体火箭发动机快速升压过程的流固耦合分析

固体火箭发动机快速升压过程是一个非常典型的非稳态流固耦合问题。通过流固耦合软件MPCC I将FLUENT和ABAQUS连接,对气流流动与药柱结构完整性进行了耦合分析,确定了该过程中药柱的应力、应变情况及燃烧室的流场变化情况。仿真结果表明,在气流进入燃烧室时,可看到压力峰由前向后的传播过程,药柱随之变形,但同一时刻流场压力的最大处与药柱应变的最大处并不在同一位置。     

药柱对燃烧室外压失稳载荷的影响

通过外压屈曲计算及外压试验研究了某固体火箭发动机壳体与燃烧室的外压稳定性。外压屈曲计算得到了壳体、燃烧室的外压屈曲载荷、屈曲失稳波形以及径向位移(环向应变)随外压载荷的变化规律。对比壳体与燃烧室的计算结果发现,燃烧室径向位移(环向应变)-载荷曲线上拐点处对应的外压载荷相对壳体明显偏高,说明药柱对燃烧室外压承载能力贡献较大。对不同推进剂松弛模量的计算表明,推进剂松弛模量与燃烧室外压承载能力呈正相关。壳体、燃烧室外压试验所得失稳波形以及药柱对燃烧室外压承载能力的影响规律与计算结果吻合较好。     

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。     

固体火箭发动机加压固化的研究

本文研究了一种制造固体火箭发动机的新型加压固化方法。其研究总旨,是以此来消除推进剂药柱在制造时所产生的热应力。通过加压固化对推进剂物理特性影响的初步研究结果表明,虽然力学性能由于受到加压固化的一定影响,而具有脆化的倾向,但是,实用尚无问题。同时加压固化有利于药柱和绝热层之间牢固粘接,燃速几乎不受其影响。为了考察加压固化的固化点而进行了发动机实际装药固化试验。根据对推进剂药柱的内应力和发动机壳体形变的实际测量,定量地证实了加压固化的效果。用加压固化法制造的发动机进行燃烧试验的结果表明,燃烧是稳定的,对燃烧性能没有影响。根据上述研究结果,可以认为,加压固化法具有实用的可能性。     

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,...     

基于结构可靠性干涉理论的环境因子研究

提出了一种基于结构可靠性干涉理论的非寿命型环境因子计算方法,这种环境因子充分考虑了可靠性仿真信息和现场试验信息。应用强度-应力干涉理论,通过可靠性仿真计算,得到不同环境下结构可靠性分布参数,运用仿真结果计算环境因子。然后,针对二项型分布数据,结合折合后数据的相容性检验方法,应用Bayes可靠性评估方法阐述了产品可靠性计算过程。最后,以固体火箭发动机药柱结构可靠性作为实例,利用2个压强下的可靠性仿真信息和现场试验信息,计算得到了发动机药柱在高工作压力下的可靠度。这种评估方法可融合现场试验信息、不同应力环境下产品试验信息及仿真信息,有利于解决小子样条件下可靠性评估问题。     

低温点火条件下药柱结构完整性分析与试验

固体发动机在低温点火条件下,药柱承受低温和压力载荷的联合作用,结构完整性受到严峻考验,极易发生故障。基于三维粘弹性有限元法,采用MSC. Patran/Marc有限元软件,分析了某模拟发动机药柱在低温和低温点火升压两种载荷下的结构完整性,利用固体发动机冷增压试验系统对该型发动机进行了冷增压试验,考虑温度和压力载荷的不耦合特性,将试验结果与数值仿真结果进行了比对分析。研究表明,药柱在低温点火条件下安全系数为2.46,结构完整性满足要求;试验结果与仿真计算结果一致性较好;相关研究方法和结论可为固体发动机设计、分析与试验提供参考。     

复合材料壳体固化成型过程残余应力和形变分析

大尺寸复合材料固化过程因加热不均,出现较大的温度梯度,进而导致固化不均匀;温度梯度和固化度梯度使得壳体内出现热应变和固化收缩应变,最终形成残余应力和结构形变。为分析复合材料壳体固化过程的结构变形,本文结合壳体的实际成型过程,考虑树脂的固化放热、固化收缩和复合材料的各向异性特性,采用CHILE(α)弹性模型,对复合材料壳体固化成型过程的热传递、残余应力衍化及固化变形进行数值研究。研究结果表明,凝胶点前,复合材料仅受到热膨胀作用;凝胶点后至降温前,受到热膨胀和固化收缩的共同作用,壳体先快速收缩后膨胀;降温阶段,壳体缓慢收缩。固化完成后,壳体的固化变形约为0.08,残余应力约为10~6N/m~2。     

大型固体发动机燃烧室立式贮存研究

为研究大型固体发动机对特殊立式贮存环境的适应性,开展了大型固体发动机立式贮存状态的受力分析以及立式贮存试验研究。基于大型固体发动机立式贮存环境条件的分析,综合考虑固化降温、充气内压等因素对发动机立式贮存的影响,开展了联合载荷作用下的计算分析。研究结果表明,发动机立式贮存状态相对初始状态前、后人工脱粘间隙都增大,前人工脱粘间隙增大较多,前人工脱粘开口部位轴向位移最大,中孔径向位移最大;发动机充气后药柱的变形量、前后凸环形药柱界面及药柱中孔处等效应力应变随内压提高有所提高,但前后凸环形药柱界面和药柱中孔处受力状态从三向或两向受拉变为三向受压状态,设计合适的充气内压有利于发动机的长期立式存放。燃烧室立式贮存试验实测了药柱立式贮存后的变形,实测结果与计算结果趋势一致。     

固体火箭发动机药柱三维结构非线性分析

非线性分析是药柱结构分析中的难点，针对其对结构分析的影响，基于不可压缩材料的粘弹性本构关系，应用完全拉格朗日（T．L）法的虚功方程，综合考虑药柱的近似不可压缩性和几何非线性，推导了三维粘弹性几何非线性有限元增量方程，编写了有限元程序对星型药柱在受压力载荷以及固化降温载荷作用下的结构进行了分析，并与线性计算的结果进行了对比，结果表明，在大载荷作用下，非线性对药柱结构分析的影响比较显著，计算时考虑非线性的影响是必要的。     

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。     

双基固体推进剂药柱非线性蠕变特性实验研究

研究了某双基固体推进剂药柱的非线性蠕变性能。依据固体推进剂药柱试件在不同温度、应力水平条件下的蠕变实验,分析其蠕变行为的非线性特性。实验结果表明,其力学性能与时间、温度、应力强烈相关。构建了参考温度20℃和参考应力5 MPa水平条件下的蠕变柔量主曲线。理论和数值计算表明,较高温度和应力水平下的固体推进剂药柱短期蠕变实验,可用于预测其在较低温度和应力水平下的长期蠕变行为。利用5级Prony级数模拟的蠕变柔量函数与实验叠合主曲线能很好吻合。     

固体发动机界面结构试件脱粘健康监测研究

以复合材料壳体和绝热层脱粘模型试件为对象,利用粘贴于壳体外表面的压电主动激励传感器,基于高频机电阻抗方法,对模拟药柱/绝热层界面脱粘的结构健康状态监测进行了数值仿真和实验研究,得出了不同脱粘损伤工况下的导纳频谱曲线,计算了能表征脱粘程度的平均绝对偏差损伤指标。结果表明,高频机电阻抗方法可利用粘贴于壳体外表面的压电传感器有效地识别内部结构的界面脱粘,相比于传统检测方法,能实现实时的结构健康监测,损伤指标能量化表征脱粘程度,实验采用的两种压电传感器中,MFC传感器较PZT传感器更适合于曲面固体发动机壳体脱粘检测,为开展实际工况下的固体发动机药柱结构界面脱粘损伤监检测工作提供理论与技术支撑。