固体火箭发动机药柱随机结构分析及其相关函数研究

利用粘弹性随机有限元法考虑固体推进剂药柱材料的随机性，结构几何形状的随机性以及随机载荷等，研究了复合因素下结构的随机应力场，讨论了不同的相关函数假设对粘弹性随机结构分析的影响。结果表明，同时考虑多种随机因素更多符合实际情况，药柱的随机应力、应变场对相关函数具有不敏感的特性。     

固体导弹发动机药柱长期重力作用下的解析计算

为分析固体导弹发动机在长期重力作用下的位移、应力和应变,用应力函数推导了发动机药柱水平贮存时的弹性和粘弹性解析解,给出了相应的计算公式。根据Burgers模型表征的药柱力学特性,用弹性和粘弹性有限元分析法对发动机药柱进行了数值计算。算例分析表明,解析解与有限元解吻合较好,误差小于1%。     

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。     

固体推进剂药柱的近似不可压缩粘弹性增量有限元法

固化推进剂的泊松比一般接近于0.5，材料近似于不可压缩，以常用的有限无了法进行结构分析，精度不能保证，本文利用适用于不可压缩材料的粘弹性本构关系，发展了一种粘弹增量有限元法，所需存储窨较少，算例表明即使泊松比为0.5也有较高的计算精度，适用于固体推进剂药柱的结构分析。     

固体火箭发动机药柱大变形数值分析

综合考虑固体发动机药柱的近似不可压缩性和几何非线性,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,推导了二维粘弹性几何非线性有限元的增量列式,编写了有限元程序并与算例进行了对比,并对星型药柱在受压力载荷作用下的结构进行了分析。结果表明,该方法和程序可用于所有泊松比粘弹性问题的计算,尤其适用于推进剂药柱的应力分析。     

固体火箭发动机药柱三维粘弹性响应面随机有限元分析

发展了一种三维粘弹性响应面随机有限元法(VRSSFEM),并对某型号固体火箭发动机药柱进行了随机结构分析。首先基于近似不可压粘弹性有限元方法和中心复合设计(CCD)技术获得输入、输出随机变量多组试验点,然后采用最小二乘法估计响应面函数的各项系数,最后以显式的函数表达式代替实际药柱结构的有限元分析模型,结合Monte Carlo方法完成了某型号固体火箭发动机药柱结构的随机响应分析。数值算例表明,该方法不修改确定性有限元分析程序,效率较高且精度,能满足实际工程需要,特别适用于大型复杂粘弹性结构的随机分析。     

一种自由装填式组合药柱的低温三维结构完整性分析

为分析自由装填式复杂组合药柱在低温多次出现点火爆炸的原因,采用基于Updated Lagrangian方法的三维热粘弹性大变形增量本构关系,对组合药柱的结构完整性进行了计算。为分析瞬态温度场以及热应力应变分布,采用基于时温等效原理和热流变简单材料假设的有限元模型,得到了危险点位置,并比较了在不同贮存温度下组合药柱的结构完整性。结果表明,药柱结构的不合理性是导致低温贮存条件下组合药柱发生结构完整性破坏的主要原因。     

固体推进剂药柱在内压载荷下的应力应变分析

采用有限元法，对含人工脱粘层的某固体火箭发动机药柱进行了线粘弹性分析，研究了在工作内压戴荷下人工脱粘层和材料泊松比对药柱应力应变的影响。分析结果表明，增加人工脱粘层面积可导致药柱头部应力增大。增加泊松比也会加大药柱应力。     

固体火箭发动机粘弹性药柱结构可靠性分析

基于Monte-Carlo粘弹性随机有限元法,分析了药柱结构的可靠度。针对直接Monte Carlo法效率较低的问题,在确定粘弹性有限元的基础上,采用拉丁超立方体抽样(LHS)技术进行随机抽样,以提高计算的收敛速度。考虑泊松比和松弛模量的随机性,结合药柱的破坏判据,研究了工作内压作用下固体火箭发动机药柱结构的可靠度及其变化趋势。算例结果表明,该方法精度高、通用性强,适合于工程应用。     

高过载条件下固体推进剂药柱结构完整性分析计算

采用有限元法对固体火箭发动机药柱在高过载条件下的应力、应变和位移场进行三维线性粘弹性分析，得出了药柱在轴向和横向过载作用下的变形结果，为高加速固体发动机药柱结构设计提供参考。     

固体火箭发动机药柱可靠性及寿命预估研究

以某型号固体火箭发动机推进剂力学性能随贮存时间变化引起药柱点火工作瞬时结构可靠性降低为衡量指标,预估了发动机寿命。首先研究了发动机自然贮存2、4、12、14、16 a后推进剂的力学性能参数及其分布规律,然后用随机有限元法分析了发动机点火过程中的应力、应变的统计分布,并用应力-强度干涉模型计算了贮存不同时期药柱的点火瞬时可靠性,以此为依据确定了发动机可靠寿命。研究结果表明,该型号发动机以0.97为可靠性下限的寿命约为15 a。     

复合材料壳体发动机推进剂药柱立式贮存应力分析

固体火箭发动机(SRM)推进剂药柱在立式贮存时要承受两种主要栽荷联合作用，即固化降温趋于平衡后的长期温差热载荷以及轴向的重力载荷作用。根据推进剂的材料特性以及不同的加载条件，采用线弹性理论，分别进行了SRM药柱在两种载荷作用下的三维有限元应力、应变计算，对药柱及其界面的危险部位重点进行了分析。     

固体火箭发动机药柱表面裂纹分析

为了分析含表面裂纹的固体火箭发动机药柱在温度、燃气内压与轴向过载联合作用下的扩展情况,在固体火箭发动机的危险截面上沿危险方向预设表面裂纹。采用有限元方法,在裂纹尖端构建三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展,分别计算随着裂纹扩展所对应裂纹深度的应力强度因子,得到了应力强度因子随裂纹深度的变化规律。根据应力强度因子的变化规律,探讨了发动机药柱裂纹扩展的趋势。     

固体火箭发动机药柱主动段飞行时应力应变分析

为了探讨固体火箭发动机药柱主动段飞行时的形变、应力和应变变化规律,以星形药型发动机为例,采用三维粘弹性有限元法,根据推进剂药柱的燃烧规律,通过计算发动机药柱在整个工作过程中不同烧蚀情况下各构成部分的结构响应,得到了主动段飞行时发动机药柱在不同环境温度、燃气内压与轴向过载联合作用下位移、应力和应变场随时间的变化规律。结果表明,低温点火发射时,内压增压至峰值时为发动机最危险时刻。     

某端燃固体火箭发动机脱粘面临界尺寸的研究

建立了含脱粘面的某固体火箭发动机工作过程的数学模型，根据脱粘面不扩展条件下得到的发动机工作过程中压力变化仿真曲线，进行了装药应力应变场的三维粘弹性有限元计算，并采用J积分断裂判据，预估了在发动机工作过程中脱粘面可能发生扩展时的临界尺寸。     

固体发动机点火燃气流动与药柱变形耦合过程数值模拟(英文)

采用MpCC I耦合器作为FLUENT和ANSYS的数据交换平台,对带径向翼槽大长径比固体发动机点火过程中的流固耦合现象进行了数值模拟。结果表明,该型发动机点火瞬间燃气流动与药柱变形强烈耦合,药柱变形主要发生在径向翼槽台阶的尖点处,且随点火过程的推进变形加剧;中间翼槽尖点处药柱的变形量比头部翼槽处大,是造成发动机点火故障的主要原因。计算获得了点火压力冲击下药柱的位移及应力场的分布规律,文中的研究结果可为流固耦合技术在固体发动机上的应用奠定一定的基础。     

固体火箭发动机药柱点火过程结构可靠性的响应面法

结合响应面法与数值模拟方法,分析了药柱的结构动态可靠度。针对固体火箭发动机药柱有限元分析计算量大的问题,根据少量的试验点设计响应面,同时采用拉丁超立方(LHS)技术提高抽样效率,考虑药柱材料参数的随机性,引入极小化变换方法,计算了固体火箭发动机药柱结构的动态可靠度。结果表明,该方法精度较高、通用性强,能够满足工程应用的要求。     

稳健优化设计及其在固体火箭发动机装药设计中的应用

为了提高固体火箭发动机在干扰因素作用下的性能精度,将稳健优化设计方法引入固体火箭发动机装药设计中。首先介绍了稳健优化设计的基本概念和设计流程,通过装药设计实例分析了稳健优化设计特点及适用性。结果表明,稳健优化设计既可较好地保证设计约束的可行稳健性,又可降低发动机性能在随机因素作用下的散布范围。为解决固体火箭发动机推力不平衡问题提供了很好的解决方法。     

大型分段式固体火箭发动机点火瞬态过程研究

通过建立固体火箭发动机点火瞬态数学模型,对某大型分段式固体火箭发动机工作初期小火箭式点火装置的火焰喷射方式、分段对接部位火焰传播过程以及前后翼燃面的传播过程等进行数值计算研究。计算结果表明,发动机点火过程中,燃烧室内的流动顺畅,没有出现压强异常振荡现象,点火初期的火焰冲击对分段对接部位的绝热结构影响很小,但整个后翼槽药面全部点燃用时在整个火焰传播期用时占比过大。数值计算结果与全尺寸发动机地面热试车结果对比表明,数值计算点火平衡压强、压强爬升时间以及升压速率与地面热试车结果吻合性好。     

固体发动机包覆层与推进剂界面脱粘裂纹稳定性分析

为了判断固体发动机药柱包覆层与推进剂界面脱粘裂纹在燃气内压和轴向过栽联合作用下的稳定性,以翼锥药型并含前后伞盘的固体发动机为例,应用有限元方法,建立界面脱粘的三维有限元计算模型,在界面脱粘裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展。通过在包覆层与推进剂界面上设置不同深度的脱粘,分别计算不同深度时脱粘裂纹的应力强度因子,得到裂纹应力强度因子随脱粘深度的变化规律,由此判断裂纹的稳定性。