固体火箭发动机界面脱粘裂纹分析

使用有限元法,在裂纹尖端周围布置有限奇异裂纹单元以模拟裂纹尖端附近的奇异性。针对轴对称发动机头部的界面脱粘裂纹,计算了点火内压作用下,发动机衬层/药柱、壳体/绝热层界面不同深度脱粘裂纹尖端的应力强度因子,指出应力强度因子随裂纹深度的发展规律。结果表明,当裂纹深度较小时,衬层/药柱界面处于闭合状态,应力强度因子几乎不发生变化,随着裂纹深度的增加,裂纹呈张开状态,裂纹尖端的应力强度因子不断增大;壳体/绝热层界面裂纹总是处于张开状态,且应力强度因子随裂纹深度的增加而增大。     

固体发动机药柱表面裂纹的处理

工程实际中通常采用于药柱表面裂纹处铲槽的方法来释放裂纹尖端的应力应变集中,以确保药柱含裂纹的固体发动机能正常点火发射.为确定铲槽的深度和宽度,基于线粘弹性三维有限元,首先确定发动机药柱点火发射时的危险部位;其次,在危险部位设置深度不同的裂纹,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各类应力强度因子,由此判断裂纹的稳定性,以确定是否需要对裂纹进行铲槽处理;最后,确定在危险裂纹处需要铲槽的深度与宽度.通过对某翼锥-圆柱组合型药柱在点火发射时的数值分析,提出了药柱危险部位裂纹的处理方法,量化了药柱表面裂纹的处理.该方法可为修复药柱表面含缺陷的发动机提供参考.     

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裂纹扩展判据的统计分析

针对固体火箭发动机药柱裂纹扩展机理及其危险性研究的复杂性,选择发动机工作过程中裂纹失稳扩展作为发动机判废的标准,采用实验测量和数值仿真的方法,确定出了不同贮存期某型固体火箭发动机在点火发射过程中,其药柱星角处横向贯穿楔形裂纹发生失稳扩展的临界深度,应用数理统计分析,给出了含该型裂纹的发动机安全工作的裂纹深度阈值曲线,从而为制订发动机的判废标准提供理论依据。     

固体火箭发动机药柱裂纹的J积分分析

为了探讨某固体火箭发动机药柱纵向裂纹在点火增压时的稳定性,采用三维粘弹性有限元法,在三维J积分圆柱围道曲面内裂纹尖端,构建奇异三维裂纹元,提高模拟精度,分别计算了随裂纹扩展所对应裂纹深度的J积分,并根据J积分随裂纹度变化规律,探讨裂纹的稳定性。研究表明,发动机点火发射时药柱前翼槽出现的纵向裂纹最为危险。     

潜入喷管背部容腔对点火初期压强振荡影响的数值研究

为深入了解点火初期药柱表面的压强振荡情况,采用计算流体力学软件FLUENT对固体火箭发动机喷管堵盖打开前的点火增压过程进行了轴对称数值计算,探讨了潜入喷管背部容腔对压强振荡的影响.计算结果表明,发动机头部和背部容腔内压强振荡最为剧烈,压强峰值和升压梯度峰值随容腔体积的增加而递减.结论可为药柱裂纹的扩展研究及固体火箭发动...     

点火升压阶段药柱裂纹变形研究

利用流固耦合软件MPCCI将FLUENT和ABAQUS连接,计算了固体发动机点火升压阶段燃烧室流场与药柱裂纹变形情况.FLUENT计算耦合区域作用在固体边界上的力,以节点量的形式传给MPCCI,MPCCI将节点量进行插值传给ABAQUS,ABAQUS得到外加载荷,计算耦合区域作用在流场上的节点位移,再通过MPCCI插值后传给FLUENT.计算结果表明,在燃气流入裂纹初期,在裂纹尖端形成相对封闭空间,造成裂纹内压强上升,反射激波引起裂纹尖端更高的升压速率,同时在裂纹尖端形成应力集中,为裂纹动态扩展提供了可能.     

小型固体发动机尾部药型对点火升压过程的影响

高装填小型固体发动机在研制初期遇到的问题之一是点火粕存在过高的初始压强峰，通过对流场的数值模拟，找出了造成初始压强峰的原因是由于燃烧室尾部结构不匹配而导致初始时刻燃气流动不畅，修改尾部药型后，消除了初始压强峰。     

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。     

嵌金属丝端燃药柱固体发动机水下点火数值模拟研究

为探讨降低固体火箭发动机水下点火初期推力峰值的方法,通过对燃气采用常微分控制方程、对嵌金属丝采用一维传热方程、对端燃药柱采用二维轴对称传热方程、对燃气泡采用球形气泡模型,就嵌金属丝端燃药柱发动机水下点火的工作过程进行了数值模拟研究。算例结果显示,发动机水下点火初期的推力峰值小于稳定工作推力,初始燃面积对推力峰值影响较大,发动机达到稳定工作推力所需时间随药柱直径的减小而迅速减小,发射深度的变化对推力达到稳定状态所需时间影响很小。     

固体火箭发动机药柱裂纹腔内三维流场瞬态特性分析

以固体发动机药柱内存在的楔形裂纹为研究对象,采用三维流场控制方程,应用有限体积法计算了发动机点火启动阶段裂纹腔内的对流燃烧过程。在裂纹腔侧壁被点燃前,裂纹腔内的燃气压力基本呈均匀分布,且约等于燃烧室燃气压力;在裂纹腔侧壁被点燃后,燃气压力逐渐呈现出上部低、下部高的分布,且腔内平均压力远高于燃烧室内燃气压力;裂纹腔侧壁开口边缘处的推进剂首先达到点火温度开始燃烧,燃面迅速向内推进,燃气以非常高的速度向外流出裂纹腔。     

基于DSCM的叠梁弯曲实验研究

采用四点弯曲加载方式,开展叠梁表面变形场演化特征的实验研究。通过CCD相机记录加载过程中试件表面散斑图像,采用数字散斑相关方法对图像进行分析。实验结果表明:叠梁的弯曲实验中,上、下梁各有一条中性轴,上梁中性轴位于几何中心的下方,下梁中性轴位于几何中心的上方,且中性轴的位置不随着荷载变化而发生变化;上梁与下梁的水平位移演化规律不同,其中上梁的水平位移绝对值小于下梁的水平位移绝对值;上下梁加载过程中的y方向(竖向)位移演化规律不同,在距离加载位置越小时距离差值越大,即变形越大。     

推进剂压强指数对喉栓式变推力固体火箭发动机推力调节特性的影响研究

为获取推进剂压强指数对喉栓式变推力固体火箭发动机推力调节特性的影响,用小偏差方法建立喉栓式变推力固体火箭发动机控制模型。讨论了几何法、CFD仿真(气动)法和冷流试验法建立喉栓组件控制模型的适用性,根据结果选用气动喉部进行计算,给出了喉栓发动机推力模型。研究了采用正、负压力指数推进剂的喉栓发动机推力调节特性,发现正压力指数推进剂会导致推力负调出现,负压力指数推进剂可避免推力负调产生。通过单喉栓推力调节试验验证了模型的正确性。仿真表明:推进剂正压力指数越大,压强波动就越大,推力变化越大,响应时间越长;推进剂负压力指数的绝对值越大,压强波动越小,推力变化越大,响应时间越短。分析结果对相关控制策略研究有一定的参考价值。     

某固体火箭发动机点火启动过程三维流场一体化仿真

以某固体发动机的燃烧室和喷管为一体化研究对象,采用三维流场控制方程,应用有限体积法计算了发动机点火启动过程中燃烧室和喷管内燃气的流场特性。发动机药柱上的着火点最初出现在药柱星角尖上,然后向四周扩展;在药柱点火初期,燃气压力波先于火焰峰到达喷管;随着燃烧室内燃气压力升高,压力沿轴向分布逐渐平缓;当喷管进口压力与出口背压比达到某一值时,喷管扩张段内出现一道激波,随着压力比的升高,激波最终移出喷管,燃气流速在喷管出口处达到最大值。     

吸气式PDE点火室引入氧气的试验研究

为了改善吸气式脉冲爆轰发动机的爆轰效果,在发动机的点火室内引入了氧气,并开展了系列试验研究,研究结果表明,点火室内引入氧气,提高了吸气式PDE的爆轰波压力与传播速度,缩短了点火起爆的时间,增加了发动机的平均推力,简化了发动机内的强化燃烧装置。与纯空气状况相比,爆轰波压力最大增加了1.28倍、爆轰波传播速度与发动机平均推力的最大增幅分别为69.57%和62.84%,点火起爆时间则相应减少了36.47%。点火室引入的氧气量存在临界值,小于临界值时随着引入氧气量的提高,发动机爆轰效果的改善越显著;大于临界值时,发动机会形成连续燃烧。     

大水深火箭发动机尾流场数值模拟

针对火箭发动机在深水环境下工作的燃气射流特性,采用VOF(Volume of Fluids)方法建立了二维轴对称两相数值计算模型,对深水长尾喷管火箭发动机点火初期的过程进行了数值模拟。模拟了长尾喷管喷管燃气射流的气泡的形成、发展及断裂过程,获得了气液两相流场中压强、马赫数、温度等参数的变化规律。计算结果表明,长尾喷管出口出现周期性的压力脉动,气液相互作用过程中形成含涡结构的边界层。水深越大时,环境压力越大,长尾喷管出口的压力、速度波动越大,射流稳定后长尾喷管轴线上的压力、速度保持不变。研究结果可为深水火箭发动机的设计提供参考。     

固体推进剂/衬层界面裂纹的指数型分层界面层模型

建立了固体推进剂/衬层界面裂纹的指数型分层界面层模型,该模型将界面层划分为多个子层,并在每一子层中用指数函数表示界面层初始模量的分布。应用Fourier变换方法推导出一个Cauchy型奇异积分方程组,采用配点数值方法得到平面应力状态下裂纹问题的半解析解,并讨论了法向和剪切应力加载下界面层参数对应力强度因子的影响。结果表明,界面层模量降低时,应力强度因子的绝对值显著减小;界面层厚度对应力强度因子的影响相对不明显。     

固体推进剂/衬层界面裂纹的界面层模型有限元分析

建立了固体推进剂/衬层界面裂纹的界面层有限元模型,该模型将界面层划分成3个区域,每一区域内采用特定函数表示材料初始弹性模量的分布。应用软件ABAQUS划分网格并采用子程序USDFLD定义界面层内梯度材料的初始模量,计算得到了法向和剪切位移加载下的应力应变场和应力强度因子。计算结果表明,界面贮存时间延长时,裂纹尖端附近整体应力及应力强度因子明显减小,而应变最大值略有增大。该模型的建立及计算结果对求解固体推进剂/衬层界面裂纹问题有一定的工程意义。     

端燃药柱药面点火引燃过程试验

复合固体推进剂的点火引燃过程一直受到广泛关注。为了提高发动机设计质量,减少点火试验次数,以及更好地揭示燃面的引燃着火机理,本文在大气条件下对端燃药柱的点火试验进行研究,观测到了药柱点火引燃和燃面扩展的瞬时变化情况。通过进一步分析具体燃烧过程,获得了药面单点引燃的燃面扩展方式,并结合传热仿真分析、内弹道计算结果解释了药面点火源数量是影响点火延迟差异、建压时间较长的机理,以及喷管堵塞的主要作用是控制炽热颗粒落在药面上,进而增强燃面着火效率,提升发动机点火可靠性。     

粘弹塑性界面的断裂特性

研究张开型粘弹塑性界面断裂。用傅立叶正、余弦变换及逐段定积分变换方法将边值问题的控制方程化为奇异积分方程组。解方程后计算了裂纹尖端塑性区尺寸及裂纹尖端张开位移(COD：crack—tip opening displacement)，并给出了能量释放率算式。结果表明，裂纹尖端塑性区尺寸和COD均随两种材料的最小屈服极限的增加而减小；随时间的增大，COD先增长后衰减，最后渐近地逼近于定值。