大长径比固体火箭发动机旋转发射过程中装药结构完整性

以防空导弹大长径比双推力固体火箭发动机装药为研究对象,分析了导弹旋转发射出筒过程中承受的各类载荷。通过计算装药的应力-应变场,发现了装药的危险部位,进而分析了燃烧室发生高压爆炸原因。     

温度冲击下变截面圆孔装药的热力耦合分析

为研究温度冲击载荷对某改性双基推进剂装药结构完整性的影响,基于热力耦合基本理论,开展了不同温度下改性双基推进剂力学松弛试验,得到了不同温度下松弛模量的6阶Prony级数及以293.15 K为参考温度的时温等效W.L.F(Williams-Landel-Ferry)方程。利用Ansys有限元软件对由333.15 K降低至218.15 K的温度冲击条件下装药结构完整性进行分析,结果表明:装药的温度和应变在温度冲击前期变化较剧烈,至12 000 s时基本达到平衡,装药前端面两个拐角处在温度冲击前期发生破坏;为验证仿真计算结果,开展了由333.15 K降低至218.15 K的温度冲击试验。在温度冲击过程中,药柱沿轴向和径向出现裂纹,起裂点为推进剂装药前端两个拐角。温度冲击试验结果验证了仿真计算的准确性,说明该计算过程可用于装药结构完整性分析。      

基于ANSYS的复合固体推进剂力学响应分析

在点火瞬态过程中的内压载荷与轴向过载作用下，对固体推进剂药柱进行了三维线性粘弹性有限元分析。通过软件参数化设计语言编程实现不同的轴向过载与改变药柱的局部结构，分别计算了药柱在点火瞬态过程中的应力、应变及位移场，并讨论了以上因素对药柱结构完整性的影响，为药柱的结构可靠性分析与寿命预估提供了一定的参考。     

温度载荷下带筋套管形装药结构完整性分析

为了分析带筋套管形装药在低温多次出现点火爆炸的原因，基于Updated Lagrangian方法，推导了热粘弹性大变形增量本构关系。在分析瞬态温度场的基础上，进一步给出了热应力应变分布，指出了危险点位置。通过选取十二种热膨胀系数以及十四种肉厚系数，对推进剂药柱进行了结构完整性计算，得出热膨胀系数与最大等效应力应变成线性关系，而肉厚系数与最大等效应力应变之间成指数函数关系的结论。结果说明：肉厚系数的选择对固体火箭发动机装药保持结构完整性有重要影响。     

考虑围压效应的NEPE推进剂药柱结构完整性分析

为研究围压效应对NEPE推进剂药柱结构完整性的影响,对包含围压效应的含损伤非线性粘弹性本构模型进行了增量推导,编制本构模型的UMAT子程序对NEPE药柱在点火增压载荷下的力学响应及结构完整性进行了分析。结果显示：围压效应对NEPE推进剂药柱力学响应的影响与损伤应变阈值有关,当药柱的应变响应低于0围压下NEPE推进剂的损伤应变阈值时,围压效应对药柱的力学响应的影响可忽略;当药柱的应变响应高于0围压下NEPE推进剂的损伤应变阈值时,药柱应力响应增大、应变响应降低。5.4MPa围压作用使药柱最大等效应力增加约26%,等效应变降低约12%。围压的压实作用能够大幅降低药柱的损伤程度,5.4MPa的围压作用可降低损伤系数约40%左右。考虑围压效应时采用双剪强度准则和Von Mises应力准则计算得到药柱安全系数分别为3.06和2.11,未考虑围压效应时采用传统的Von Mises应力准则计算得到药柱安全系数为1.97,围压效应可明显提高药柱安全系数,传统的发动机药柱结构完整性评估方法趋于保守。     

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。     

固体火箭发动机前、后翼药柱三维有限元分析

应用PRO／ENGINEER、I－DEAS软件构造药柱三维几何模型，利用视算技术和方法对药柱几何模型进行处理，建立药柱三维有限元模型，对药柱受固化降温、轴向飞行过载、工作内压载荷作用下的应力应变及位移完成了三维线弹性有限元分析计算，进行了图形后处理，得到了合理的结果。为大型固体火箭发动机药柱结构完整性分析提供了更为准确合理的理论依据。     

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。     

燃烧室结构对固液火箭发动机燃速和性能的影响

对不同燃烧室结构固液火箭发动机进行了二维轴对称一体化数值计算,计算结果表明:燃速随前燃室的增长而增大,增幅越来越小,特征速度和真空比冲随前燃室的增长先增大后趋于平稳.后燃室的长度对燃速没有影响,特征速度和真空比冲随后燃室的增长而增大.相同氧化剂质量流率下,药柱长径比不影响燃速沿轴向分布,平均燃速随药柱长径比的增大而增大,增幅越来越小,最终趋于平稳,特征速度随药柱长径比的增大先增大再减小,在长径比为10.0附近达到最大值.相同理论氧燃比下,燃速随长径比的增大而增大,但不影响燃速的分布趋势;燃烧效率随着长径比的增大先减小再增大;实际氧燃比随长径比的增大而逐渐减小,且变化趋势逐渐缓慢.     

固体火箭发动机药柱伞盘结构应力应变分析

应用三维粘弹性有限元分析方法,分析了某固体火箭发动机药柱在低温载荷作用下的应力应变场,讨论了前伞盘曲面形式、宽度和深度对该部位最大Von Mises应变值的影响。在此基础上,通过调整前伞盘顶端双圆弧曲面结构的半径比,在基本不减少装药量的前提下,有效降低了该处最大Von Mises应变值,并初步确定了最佳半径比的范围,所得结论可为固体火箭发动机装药设计提供定量参考。     

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。     

基于热力学理论的固体推进剂粘弹-粘损伤本构模型

为了描述固体推进剂在不同应变率和围压环境下的非线性力学特性，首先通过假设推进剂非线性力学特性由损伤导致，基于不可逆热力学框架，推导出粘弹-粘损伤本构模型。在构建粘损伤模型时，以线性粘弹性应变能密度为损伤驱动力，并且引入了损伤历史、应变率和围压效应对于损伤增长的影响。然后利用文献中HTPB推进剂的围压实验数据对一维形式下的本构模型进行了参数获取、验证和预测误差分析。在获取损伤萌发参数S0时，基于时间-压强等效原理，构建了损伤萌发参数S0主曲线。最后采用NEPE推进剂单轴拉伸实验验证了本构模型对于当前固体推进剂大变形非线性力学性能的适用性。结果表明，损伤萌发参数S0随着围压和应变率的增加而增加。在应变率和围压的双重作用下，在相对压强5.516MPa，0.24s-1条件下的S0是相对压强0MPa，6×10-4s-1条件下数值的10.7倍。另外，模型对于HTPB推进剂抗拉强度的最大预测误差为6.15%，模型预测结果与两种实验数据重合较好，表明建立的粘弹-粘损伤本构模型可以很好地预测HTPB推进剂在不同应变率和不同围压环境下的力学响应和当前NEPE推进剂的大变形非线性力学行为，可为点火增压载荷下固体推进剂药柱结构完整性数值分析提供理论基础。     

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。     

一种有效评估推进剂药柱老化的方法

固体火箭发动机用的合成推进剂其物理性能会随使用年限发生很大的变化.因此在估算安全界限及重新评估剩余寿命时,需要对时效的火箭发动机在其寿命跨度的各个不同阶段进行结构完整性分析.而且在分析的时候必须采用现时的推进剂物理参数,以获得可靠的分析结果.在推进剂暴露面处,因时效而引起的物理性能变化更是尤为明显.而用传统方法评估的物理参数不可能真实地反映现时推进剂的物理性能.本文提出一种利用小型实验装置测量推进器药柱表面应力应变响应的技术.在此技术中,采用特殊设计的装置测量出推进剂表面以恒速率受压时的应力响应.然后将所测得的应力应变行为与经人工时效的推进剂拉伸试验测得的物理参数建立起相应的关系.研究表明它们之间存在着很好的对应关系,它能明确给出发动机推进剂的物理性能参数.与传统方法相比,它既安全又经济.     

考虑界面损伤的立式贮存药柱结构完整性研究

为了进一步结合实际分析固体火箭发动机药柱在立式贮存条件下的结构完整性，考虑推进剂/衬层界面损伤模式在复杂应力条件下具有多样性。以某型固体火箭发动机为例，与常规将衬层设置为粘接单元相比，模型在推进剂与绝热层之间设置粘接接触。对固体火箭发动机在立式贮存环境时经历固化降温、充气内压和重力载荷联合作用下有无界面损伤时的发动机进行仿真分析。结果表明:界面损伤的存在导致推进剂/绝热层界面这个薄弱环节更危险；该型固体火箭发动机药柱在充气内压增大过程中在人工脱粘层根部部位应力呈先增大后减小趋势；在充气内压达到0.085MPa之前，推进剂与绝热层之间考虑界面损伤时，推进剂在垂直于轴向的靠近人工脱粘层根部部分更容易损伤，之后则推进剂垂直于轴向的初始点更容易损伤。该结论可以为固体火箭发动机结构完整性精确仿真提供一定的指导。     

固体推进剂药柱泊松比随机粘弹性有限元分析

为了研究泊松比的分布对固体推进剂药柱结构分析的影响，发展了一种地不可压缩材料的粘弹增量有限元方法，进行了泊松比随机粘弹性有限元的研究，要用局部平均方法对随机场进行离散，给出了二阶摄动有限 元变异方程。算例表明，对药桩进行随机模拟，计算效率和精度较高。     

HTPB复合固体推进剂率相关损伤机理分析与验证

固体发动机在点火过程中常由于结构完整性问题而出现爆炸或性能曲线异常等问题，结合发动机在点火状态下推进剂的受载情况，亟待探索固体推进剂的率相关损伤机理。本研究从某HTPB复合固体推进剂在宽温和宽应变率下单向定速拉伸试验的力学响应特征入手，针对应力-应变曲线呈现的“双峰”、“脱湿”点前后移位等现象阐释了推进剂的率相关界面损伤特性。然后，基于建立的推进剂细观有限元模型对推进剂的率相关损伤过程进行了仿真计算，通过提取有限元分析结果的损伤界面分析了推进剂的界面损伤机理。最后，通过高速摄像试验的结果对损伤机理进行了验证。结果表明，推进剂的界面损伤过程具有很强的率相关性，“双峰”和“脱湿”点前后移位均与推进剂在不同应变率下拉伸时内部的损伤演化过程有关。通过对比推进剂在不同应变率下拉伸时断裂前的形貌，高应变率下AP颗粒析出数量较多，在一定程度上印证了本研究对推进剂损伤机理的阐释。     

带拐弯混合管对波瓣混合器性能的影响

针对波瓣混合器进行了一系列的数值计算和模型实验研究,揭示了带拐弯混合管对波瓣混合器性能的影响.实验结果表明:混合管长径比小于2时,带拐弯混合管会造成高温气流在出口截面呈月牙形分布,月牙形包围着一个回流区,该回流现象对引射性能不利,计算结果则验证了该气流分布,认为带拐弯混合管降低了波瓣混合器的引射效率,为改善其引射性能,应该加长混合管使得混合管的长径比大于等于2.计算结果还发现了波瓣混合器的最佳长径比为2,且该值不随面积比变化,和最佳长径比为6的圆管混合器相比,波瓣混合器可以有效缩短混合管的长度.另外,进一步给出了引射比与长径比的拟合关系式.