装药限燃包覆层脱粘和裂缝燃烧故障效应的试验研究

用模拟试验研究各种脱粘和裂缝燃烧对发动机造成的故障效应,为故障诊断和失效分析提供依据。自由装填限燃包覆层装药的脱粘燃烧,造成燃面增大和由于压力升高造成的燃速指数增大效应;具有贴壁的限燃包覆层的装药脱粘燃烧,还会产生极其强烈的侵蚀燃烧效应。浅裂缝燃烧只是造成燃面增大的效应;而深裂缝装药燃烧,还会产生极其强烈的侵蚀燃烧效应。无论是贴壁的限燃包覆层的装药脱粘燃烧或是深裂缝装药燃烧,均会在发动机点燃的初期,产生十分强烈的压力峰,如果燃烧室的安全裕度不是特别大,则会在发动机点燃后的短暂时间内发生爆炸。     

固体火箭装药包复层脱粘问题的分析

本文应用了二维轴对称弹性有限元分析方法计算了常见的三种火箭装药结构,因热载荷及火箭发动机工作内压力作用引起的脱粘主应力(发生在人工脱粘端点处包复层与推进剂药柱的相粘接的界面上),对比分析了火箭装药的外界载荷、人工脱粘结构形式及火箭装药的几何参数等对脱粘的影响。另外,对于预防火箭装药包复层的脱粘问题做了一些分析讨论。     

固体火箭发动机粘结部的超声波探伤

壳体——包复层,包复层——推进剂界面上的脱粘是固体火箭发动机里的一个极其严重的缺陷。超声波多次反射法是检验壳体——包复层脱粘最有效的方法,目前正被一些工厂,东京大学鹿儿岛宇宙空间观察所,及能代火箭试验所所使用。 由于用了有人工脱粘的火箭模型做试验,其结果表明多次反射法是可以检验包复层——推进剂的脱粘的。用谐振原理的超声波测厚仪检验壳体——包复层的脱粘也是可行的。 火箭发动机材料的声速及其衰减是通过脉冲反射法和浸入穿透法测定的,使用频率为0.4兆赫,1.0兆赫和2.25兆赫,温度范围从10℃到50℃。     

大型分段装药发动机绝热环烧蚀特性实验研究

为了研究大型分段装药发动机绝热环限燃层的烧蚀规律和特性,针对典型发动机开展了不同时刻和限燃层高度条件下三维两相流场的数值模拟,进行了限燃层表面烧蚀环境的特征分析和烧蚀状态参数提取,设计并研制了地面模拟烧蚀实验装置,开展了不同颗粒冲刷状态条件对限燃层烧蚀影响规律的实验研究,并采用扫描电镜分析了限燃层迎风面和背壁面炭化层的微观形貌。研究结果表明:(1)大型分段装药发动机流道中不同位置处绝热环限燃层表面的两相流冲刷状态不同,由于绝热环在流道中的阻碍作用,其表面形成了一种颗粒聚集浓度较低、冲刷速度较高而气相速度较低的烧蚀环境;(2)地面模拟实验结果表明绝热环限燃层的炭化烧蚀率随颗粒冲刷速度增加而增加,且增加幅度逐渐变大;(3)实验后限燃层的核心冲刷区域表面无炭化层残留,其烧蚀模式由机械剥蚀破坏效应主导。     

脱粘引起的燃面变化及其对发动机性能的影响

分析了推进剂药柱与衬层界面脱粘在不扩展条件下的燃面变化,并对相应的燃面面积进行了计算;通过对存在药柱与衬层界面脱粘发动机的内弹道仿真,得到了关于在脱粘面不扩展条件下不同脱粘部位和脱粘尺寸对发动机工作过程影响的一些结论.     

燃烧条件下影响推进剂脱粘面扩展的因素

研究了固体火箭发动机推进剂与包覆层界面脱粘在燃烧条件下扩展的影响因素。对含有预制脱粘面的试件进行了大量的燃烧试验，用X射线实时成像系统记录了燃烧过程；根据组成试件的不同材料特性，分别用粘弹性和线弹性有限元方法计算了试件在燃烧过程中的应力应变状态，并利用修正后J积分法对脱粘面扩展的可能性进行了预估。理论分析和试验结果均表明：燃烧室增压速率、脱粘面尺寸、边界条件等因素对脱粘面扩展均有较强的影响。该研究结果对制定固体火箭发动机装药失效判据有一定参考价值。     

基于标样比对测试的固体火箭发动机工业CT检测工艺

针对固体火箭发动机CT检测缺少行业标准的问题,使用正密度材料块模拟界面脱粘缺陷和使用合金块模拟药柱内部缺陷来制作标样发动机,对标样发动机和实际发动机进行CT检测对比试验,并解剖取样验证。结果表明发动机CT检测和射线照相、解剖试验结果吻合,标样发动机设计满足研究需要。同时确定了工业CT系统发现缺陷的最小能力:脱粘面积20 mm×20 mm,宽度0.4 mm,气孔和夹杂直径5 mm,裂纹宽度0.4 mm。建立检测标准规范了固体火箭发动机CT检测工艺。     

推进剂/包覆层界面脱粘率相关特性研究

固体火箭发动机(SRM)装药包覆界面性能对发动机安全工作意义重大。为研究改性双基(CMDB)推进剂/三元乙丙(EPDM)包覆层界面在不同受载速率下的脱粘情况,采用双悬臂梁(DCB)试件对包覆粘接界面进行了界面脱粘性能试验研究,获取了脱粘界面扩展过程中的加载点载荷-位移曲线。同时,构建了界面率相关内聚力模型(CZM),并采用Hooke_Jeeves优化算法反演识别出相关模型参数。通过对比多阶段加载实验及仿真结果曲线验证了模型的可靠性,结果表明,二者变化趋势基本一致,最大误差小于15%,所得结论对固体火箭发动机装药界面脱粘研究具有一定参考价值。     

准静态加载下陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线的模拟

采用细观力学方法来模拟纤维增强陶瓷基复合材料层合板在准静态加载下应力-应变行为.采用层合板修正剪滞模型分析复合材料出现损伤时的细观应力场,通过临界基体应变能准则、Nair脱粘准则确定基体裂纹间隔和界面脱粘长度.最后结合剪滞模型和损伤机制模拟陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线,并与试验数据进行比较,结果吻合较好.      

ASTM承剪胶接接头力学性能研究

对承剪单搭接胶接接头力学性能进行了有限元分析及试验验证。通过对ASTMD 5 6 5 6标准薄胶层试件的试验及其和有限元计算结果的对比 ,确定了胶粘剂材料弹塑性应力应变关系。在此基础上 ,引入等效塑性应变准则和J 积分准则对具有不同胶层厚度的ASTMD 5 6 5 6和ASTMD 31 6 5标准试件的强度进行了预测 ,预测结果与试验结果相吻合。还就含脱粘缺陷的ASTMD 31 6 5标准试件的强度进行了分析。计算结果表明 ,ASTMD 5 6 5 6和ASTMD 31 6 5标准试验测得的胶粘剂表观剪切模量和剪切强度只具有相对意义 ,确定胶粘剂材料工程常数 ,还要在计算结果的基础上进行更深入的理论分析 ;对于含脱粘缺陷的ASTMD 31 6 5试件 ,缺陷的位置对其强度有重要影响     

基于灰色关联分析的航空发动机气路部件故障诊断

为了改善对航空发动机气路部件故障诊断能力,提出了一种基于灰色关联分析的两层诊断方法。该方法首先利用粒子群算法优化各蜕化程度下灰色关联加权指数,构建标准故障序列,利用灰色关联分析进行第一层定性诊断,再优选故障模式利用灰色斜率关联分析方法进行二次诊断,得到了气路部件故障诊断结果。仿真表明,改进二次灰色关联分析诊断方法比单层诊断方法结构更简单,计算量小,更适合于较多传感器的发动机诊断系统,比经验灰色关联分析方法诊断精度更高。     

固体火箭发动机绝热层缺陷对药柱燃面影响的数值模拟

发动机绝热层人工脱粘层局部产生缺陷时,经柱燃面曲线偏离设计曲线,导致发动机２内弹道性能也偏离设计为了模拟这种缺陷对药柱燃面的影响,扩展了原通用坐标程序地计算范围,并又新增加了一些基本图形的算法。改进后的算法可适用于绝热层有或没有缺陷的药柱燃面计算。针对绝热层缺陷建立了三种燃烧模型,计算分析了缺陷类型、结构与位置尺寸对药柱燃面的影响,为分析绝热层有缺陷的发动机性能的基础。     

固体火箭发动机内绝热层烧蚀率实验研究

根据固体火箭发动机内绝热层烧蚀环境,设计研制了一种绝热层烧蚀试验发动机。利用该发动机不仅可进行绝热材料配方筛选,而且通过调节压强、流速及冲刷角进行缩比发动机烧蚀模拟试验和各种烧蚀率影响因素分析。在大量实验研究的基础上,提出了一种能较精确测量绝热层烧蚀率的测试方法和实验评定方法。分析了发动机工作压力、流速、气流冲刷角、裂纹,脱粘、气孔、夹层及搭接缝对绝热层烧蚀率的影响。测试结果与实际发动机解剖数据有较好的一致性。     

发动机燃气烧粘破坏量化评估分级方法

简要讨论了采用分级方法对发动机高温高速燃气烧粘破坏、不同防烧粘材料模拟试验观测结果的量化评估。研究结果表明，分级表征的兼有烧蚀、粘渣等混杂烧粘破坏现象的冷／热模拟、发动机试车台模拟结果简便、直观、便于比较。     

Study on ASTM Shear-loaded Adhesive Lap Joints

对承剪单搭接胶接接头力学性能进行了有限元分析及试验验证。通过对ASTM D5656标准薄胶层试件的试验及其和有限元计算结果的对比，确定了胶粘剂材料弹塑性应力应变关系。在此基础上，引入等效塑性应变准则和J-积分准则对具有不同胶层厚度的ASTM D5656和ASTM D3165标准试件的强度进行了预测，预测结果与试验结果相吻合。还就含脱粘缺陷的ASTM D3165标准试件的强度进行了分析。计算结果表明，ASTM D5656和ASTM D3165标准试验测得的胶粘剂表观剪切模量和剪切强度只具有相对意义，确定胶粘剂材料工程常数，还要在计算结果的基础上进行更深入的理论分析；对于含脱粘缺陷的ASTM D3165试件，缺陷的位置对其强度有重要影响。     

固体火箭发动机喷管烧穿故障的试验分析

根据某大型固体火箭发动机在地面试车喷管扩散段前部的烧穿故障的诊断，认为喷管的内型面半径对轴线的导函数在型面衔接点处不连续是导致烧穿故障的直接原因，通过对比模拟试验得到证实。又通过对原型喷管的Ｎ－Ｓ方程计算，发现在型面衔接处有漩涡存在，与最初分析的速度转折点的道理相一致，从而确诊故障。最后，提出型面设计的改进建议，即以余弦曲线代替圆弧曲面，使衔接点处导函数连接，可大大减弱冲刷烧蚀作用，从而避免烧穿。     

双基推进剂包覆层界面脱粘敲击检测系统设计

双基推进剂橡胶包覆层界面脱粘降低了推进剂工作性能，使其运行存在潜在的安全隐患。针对此问题，设计并开发了一套由信号处理组件、自动化控制组件和智能诊断组件构成的敲击检测系统，旨在通过自动化控制与智能敲击诊断技术相结合，更加全面的获取待测件的状态，提高检测的准确性和可靠性。实验结果表明，敲击检测系统可以识别橡胶包覆层脱粘缺陷，并且当敲击检测分辨率为3~10 mm时，脱粘缺陷检测准确率≥87.5%；BP神经网络隐含层神经元数设置6或7时，故障识别效果良好，K-means聚类算法对敲击检测数据故障确诊率≥90%。综上所述，敲击检测系统具有较高的检测分辨率和准确率，可以实现对双基推进剂包覆层粘接质量的客观评价。     

分段式固体火箭发动机内部流动不稳定性数值分析

采用大涡模拟技术,针对某分段式固体火箭发动机开展了发动机燃面退移0mm,160mm和280mm三个时刻下发动机燃烧室内部流动不稳定现象的数值分析,获得了三个典型时刻燃烧室内压强可能的振荡特性.计算结果表明,在发动机点火初期燃烧室内流动不稳定性主要由表面涡脱落导致;随着燃面的退移,端面限燃层暴露在燃气中,由于端面包覆结构残余的影响,燃烧室内流动不稳定性主要由障碍涡脱落决定,且与点火初期相比,压强振荡的频率逐步减小.     

固体火箭发动机衬层与药柱脱粘高能X射线检测技术

衬层与药柱脱粘严重影响固体火箭发动机的结构完整性和工作安全性,该缺陷的可靠检测至关重要。文章综述了固体火箭发动机高能X射线检测技术现状。基于射线照相检测和工业CT检测手段,评述了固体火箭发动机衬层与药柱脱粘的图像分析和缺陷评判技术。针对该类缺陷,提出了综合应用射线照相技术和工业CT技术进行印证检测的方法,评判结果表明能够满足缺陷检测的可靠性与准确性要求。     

航空发动机故障融合诊断研究

结合气路诊断与振动分析方法,建立发动机故障融合诊断模型,探讨气路与振动故障融合诊断方法的可行性。构建故障融合诊断3级体系(故障特征级、故障模式级以及故障决策级融合),实现基于性能参数和振动参数的综合评估方法,获得基于小偏差法的气路故障判据,形成基于动力学分析的振动故障判据,提出故障特征融合的方法,通过算法实现故障融合识别,并在模拟试验器上进行涡轮叶片掉块故障试验验证,获得相应的故障诊断决策。结果表明:设计的发动机故障融合诊断方法合理,算法正确。