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。     

温度载荷下装药内外径比和长径比对结构完整性影响的规律研究

在固体火箭发动机装药设计中通常将药柱的外径与内径之比定义为m数(m=R/r)为研究装药设计参数m数和药柱长径比在温度载荷下对装药结构完整性的影响, 采用基于Total Lagrangian方法的热粘弹性大变形增量本构关系, 通过选取9种m数以及8种药柱长径比, 共72个计算模型, 对装药结构完整性进行了计算, 结果表明温度载荷下药柱最大Von Mises等效应力、应变值受药柱m数以及长径比共同影响.并得出当长径比大于3时, 药柱最大等效应力、应变值主要取决于m数的结论.      

定应变下固体火箭发动机药柱概率贮存寿命预估研究

为研究定应变对固体火箭发动机药柱概率贮存寿命的影响,对推进剂高温加速老化力学性能数据进行了统计分析,利用随机有限元法分析了发动机药柱在内压和过载的联合作用下Von Mises应变的均值和标准差,采用应力-强度干涉模型计算了药柱结构可靠性随应变敏感系数的变化趋势,据此分析了定应变对发动机药柱概率贮存寿命的影响。结果显示,定应变对发动机药柱概率贮存寿命影响显著,以0.97为可靠性下限,当应变敏感系数为2.94时,其寿命约为30.98年,应变敏感系数为-2.94时,其寿命约为0.92年,在此范围,药柱概率贮存寿命随应变敏感系数的增大而延长。     

考虑结构完整性和装填分数的星形药柱形状优化

在固体火箭发动机药柱设计过程中,装填分数较大的药柱结构完整性很难满足要求。利用PCL对商用有限元软件MSC Patran/Marc进行二次开发,建立星形药柱发动机的二维参数化有限元模型。在此基础上,采用遗传算法对星形药柱进行了形状优化,以结构完整性最优为优化目标,以装填分数为约束条件,得到了Von mises应变最小且面积装填分数不小于0.85的药柱形状。所提出的方法可方便地应用于各种固体火箭发动机装药设计。     

温度冲击速率对变截面药柱结构完整性的影响

基于热传导方程,对某固体火箭发动机物理模型进行合理的简化,得到了两种可以用于计算药柱内温度、应力应变场的三维计算模型,并通过计算选出较优的一种;利用得到的计算模型,根据固体推进剂材料的粘弹性本构关系,对某固体火箭发动机受不同温度冲击载荷速率的情况进行了数值计算,研究在不同速率下,药柱内应力应变随应力速率的变化规律,为火箭发动机三维装药结构的完整性分析提供参考。     

复合推进剂交变温度作用下应力应变数值分析

文章以某导弹发动机使用的复合固体推进剂为研究对象,采用热粘弹性有限元法分析了复合固体推进剂在交变温度载荷作用下的应力应变情况,给出了应力应变场的分布规律,判断了推进剂药柱容易失效的部位,为固体火箭发动机寿命预估新方法的探索提供参考。     

基于实测数据的舰载导弹固体火箭发动机环境温度方程的研究

为了有效解决目前舰载导弹固体火箭发动机缺乏适用的环境温度方程问题,从而为舰载导弹固体火箭发动机的应力应变计算、累积损伤分析、寿命评估、可靠性分析、药柱结构完整性分析等提供所需的环境温度数据,文章利用温度测量装置采集了舰载导弹固体火箭发动机舰面值班时的环境温度数据,通过对实测环境温度数据的分析研究,找出了该环境温度的变化规律和特点,并以此为基础提出了一种适合舰载导弹固体火箭发动机的环境温度方程。     

自由装填包覆药柱点火过程中应力应变分析

自由装填药柱固体火箭发动机在点火过程中容易出现药柱结构完整性破坏,本文围绕该问题展开研究。利用有限元方法分析了自由装填星孔装药内外压差作用下药柱应力应变,同时分析了包覆层的弹性模量及推进剂泊松比对应力应变的影响。结果表明,应力应变值随着压差的增大直线上升,另外包覆层的弹性模量及药柱的泊松比对应力应变值影响很大,包覆层弹性模量越大,药柱应力越小,药柱泊松比越大,药柱应力越小。为减小应力应变,一方面可以通过发动机结构设计以减小内外压差,另一方面可以选择较高弹性模量的包覆层和高泊松比的推进剂材料。     

喷液式固体火箭发动机的稳定性

提出了一种喷液式推力大小可控的固体火箭发动机方案。对反馈控制系统的各个环节建立了运动方程,进而求得时变非线性系统在平衡点的常系数拟线性控制方程,并确定了系统的平衡稳定边界方程和稳定准则。分析指出,喷液式推力可控固体发动机和普通固体发动机在稳定性上有本质差别。小推力工况下发动机工作初期稳定性最差。喷注比或燃烧室自由容积越大,稳定性越好,压强指数在中n和高n值时有利于稳定。     

固体火箭超燃冲压发动机理论性能分析

基于布雷顿循环,考虑燃烧产物的离解,针对固体火箭超燃冲压发动机工作过程进行了建模研究,开展了发动机理论性能分析,研究了飞行参数、燃料种类对发动机性能的影响,探究了超燃冲压发动机的工作极限。结果表明：固体火箭超燃冲压发动机的性能随着飞行马赫数的增大和飞行高度的升高而下降;当工作当量比增大时,质量比冲和体积比冲均下降,但比推力逐步上升;当工作空燃比增大时,比推力下降,但质量比冲和体积比冲均逐步升高。燃料种类对发动机性能有显著影响,在空燃比5～27的范围内,固体推进剂的体积比冲存在明显优势,但比推力和质量比冲不及氢气和煤油。相比于氢气和煤油,采用硼基固体推进剂作为燃料的超燃冲压发动机可以在更宽的飞行马赫数范围内工作,预示着固体火箭超燃冲压发动机宽包络飞行的潜力。     

涡轮盘多轴低循环疲劳寿命预测及试验验证

应用单轴及多轴疲劳寿命预测的Von Mises等效应变模型和临界平面模型对某两级涡轮盘传动臂销钉孔的疲劳寿命进行预测.组装和调试了全尺寸两级涡轮盘联合试验件,在旋转试验器上完成了低循环疲劳试验,得到两级涡轮盘传动臂销钉孔试验失效寿命.预测寿命与试验寿命对比分析显示单轴和Von Mises等效应变模型预测误差较大;临界平面模型误差较小,尤其是拉伸型失效SWT(Smith-Watson-Topper)模型误差为9.26%.      

点火发动机点火喷流传播过程分析

点火发动机点火喷流沿药柱通道传播过程是一个非常典型的非稳态流固耦合问题。采用流固耦合模拟方法对点火瞬态药柱通道内的流场以及在流场作用下药柱的结构完整性进行流固耦合分析,确定药柱通道各点压力上升产生的原因以及该过程中装药的应力应变情况。仿真结果表明在点火喷流沿药柱通道传播过程中,将出现超压较大的激波结构,造成装药通道内不同位置处出现程度不同的压力振荡;在激波向尾部传播阶段,药柱的应力传播落后于激波传播;在激波的反射阶段,药柱最大应力位于尾部翼槽底部区域。     

缺口半径对疲劳寿命影响的有限元分析

针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢缺口件进行了非比例应变路径低周疲劳试验,采用直流电位差法测量裂纹萌生寿命,比较了缺口半径和应变路径对疲劳裂纹萌生寿命的影响.试验结果表明:缺口件裂纹萌生寿命占疲劳寿命的比例与应变路径和缺口半径相关.采用ANSYS软件进行模拟计算,材料弹塑性特性采用von Mises屈服准则、多线性运动硬化律和单轴循环应力应变曲线描述.模拟结果表明:各应变路径下缺口根部处产生了明显的应力集中,等效应力最大值均发生在缺口根部处,随着离缺口根部距离的增加,应力随之而降低.但不同缺口半径下,离缺口根部不同距离处的应力梯度变化趋势随应变路径不同而不同.基于模拟结果,采用Smith-Watson-Topper(SWT)模型进行疲劳寿命预测.结果表明SWT模型针对大缺口半径的预测结果较好,大部分点位于2倍分散带内,但针对小缺口半径预测结果普遍偏低.      

固液发动机固体燃料瞬态退移速率

为了研究固液混合火箭发动机中固体燃料退移速率在发动机工作过程中的变化特性,基于固液混合火箭发动机的工作特点,利用燃烧流动与固体区域传热耦合计算以及动网格技术,建立了固液混合火箭发动机固体燃料瞬态退移速率预示的数值模型,并对某带预燃室、补燃室以及扰流环结构的模型发动机进行了研究。计算结果表明,固体燃料热解表面的温度以及退移速率随着发动机的工作逐渐降低;在同一时刻沿发动机轴线燃料热解表面上各点的退移速率以及温度不同;扰流环可以提高它后面局部区域固体燃料的退移速率以及表面温度。     

固液火箭发动机工作过程三维数值仿真

根据固体燃料壁面与气相间的流固耦合得出了固体燃料燃速模型,对采用星形装药的H₂O₂/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)固液火箭发动机进行了燃烧流动三维数值仿真,得到了流场参数的分布及不同位置的固体燃料燃速,与二维轴对称仿真结果进行了对比.计算结果表明:装药截面的火焰层形状与装药星孔型面形状相似,但火焰层厚度与位置在星根与星角处存在差异;随着轴向位置的增加,氧化剂不断消耗,火焰层向通道中心移动;固体燃料燃速与氧化剂流率及不同装药位置有关,其大小随氧化剂流率的增加而增加,星根处燃速比星角处大;在相同氧化剂流率下,三维星形装药比二维轴对称装药的平均固体燃料燃速大.      

固体推进剂药柱不确定结构分析及方法比较

针对复合固体推进剂力学性能参数的不确定性对固体火箭发动机药柱结构分析的影响,使用软件ANSYS parametric design language(APDL)建立了受固化降温载荷和压力载荷联合作用下药柱结构的参数化有限元模型.在此基础上,分别应用蒙特卡洛法和响应面法,研究了复合固体推进剂热膨胀系数与初始泊松比的随机分布对药柱结构有限元分析的影响,并对两种方法得到的概率分析结果进行了对比.结果表明:复合推进剂热膨胀系数和初始泊松比微小的变化会对结构分析结果产生较大的影响;药柱结构响应对初始泊松比更为敏感.在药柱结构有限元分析时考虑推进剂力学性能参数的不确定性十分必要.通过对两种不确定结构分析方法的比较发现,响应面法得到的分析结果与蒙特卡洛法得到的分析结果十分接近,且分析效率远高于蒙特卡洛法.      

三维 J积分理论在固体火箭发动机裂纹研究中的应用

针对固体火箭发动机药柱上裂纹的三维性和受力复杂性,文章提出采用三维 J积分理论和数值仿真来计算药柱上裂纹缝线上的 J积分值,并给出了三维 J积分的体积分表达式和有限元数值分析方法;通过对固体火箭发动机药柱上在燃烧室星角处的一条典型裂纹——横向贯穿楔形裂纹仿真计算,得出裂纹缝线上 J积分值呈现中间高两端低的非均匀分布特点,证明了三维 J积分理论在固体火箭发动机装药裂纹危险性研究上的适用性。