固体火箭冲压发动机固定几何喷管设计问题(英文)

针对现有弹用固体火箭冲压发动机普遍采用的固定几何不可调节喷管,基于流量平衡的基本原理,建立了其理论设计及性能评估的数学模型。结合当前中远程空空导弹提出的Ma=2~3.5宽速度范围设计需求,运用所建立设计模型对实例设计方案开展了计算分析。结果表明,现有固定几何喷管本质上是为满足低速正常接力而折中设计出的,在高速巡航时,因扩张比偏小,不仅喷管出口气流速度和冲量小,而且导致燃烧室压强降低,还额外造成进气道结尾正激波总压损失加大,不能将进气道保有的捕获高速来流动能充分发挥出来。原设计方案在Ma=3.5高速巡航时,进气道实际总压恢复性能对比方案中的最大总压恢复性能水平,相对损失幅度高达42.67%,而且冲压发动机推力与其可能达到的最大值对比,相对损失幅度也高达31.8%。因此建议采用喷管调节技术来解决此类问题。     

固体火箭冲压发动机设计技术问题分析

总结了自1965年以来固体火箭冲压发动机研制技术的总体发展特征和趋势,结合当前新一代战术导弹提出的大空域、宽Ma数和大机动性等越来越高的设计需求,从冲压发动机热力循环技术本质要求出发,分析了当前工程上普遍采用的固定几何进气道、固定几何喷管、燃烧室共用、无喷管助推器和变流量燃气发生器等5项主体设计技术固有的技术缺陷、不足和局限性,明确指出现行的折中设计思想是产生问题的根源,提出未来应遵循"开源节流"设计思想,优先突破喷管调节技术,积极开发进气道调节技术,努力提高现有燃气发生器变流量调节技术水平,切实完善固体火箭冲压发动机热力循环,以促其成功应用。     

导弹腹部进气道前弹体干扰特性数值分析

为评价腹部进气中等超声速战术导弹中导弹前弹体干扰对进气道总体性能的影响,结合设计实例,基于F luent软件,运用CFD数值模拟技术,开展了进气道与导弹前弹身组合体内外流场的一体化数值仿真计算分析。结果表明,相比单独进气道,因导弹头部弓形激波造成的总压损失及前弹体附面层干扰两方面作用,腹部进气道的实际捕获流量和总压水平总体下降,平均下降幅度在设计点单一随攻角变化时分别达3.5%和3%,在低速飞行段单一随飞行速度变化时分别达3%和4%。此外,也证实导弹前弹体的屏蔽和预压缩作用可适度改善腹部进气道攻角特性,采用附面层隔道可弱化前弹体附面层干扰。     

喷丸残余应力及夹杂影响小裂纹仿真概率模型

提出考虑喷丸残余应力及内部夹杂影响的随机内部小裂纹形核扩展概率模型，实现构件内部疲劳裂纹萌生过程的仿真。针对高温合金X，在开展试验的数据基础上，识别模型所需的残余应力分布参数、“形核相关”夹杂尺寸分布参数、微观结构相关塑性本构参数及小裂纹形核扩展参数。模型成功预测喷丸等直棒两种主要的形核方式：残余拉应力平衡层夹杂形核及无残余应力区夹杂形核。与试验对比，模型预测内部裂纹萌生寿命及其分散精度高，残余拉应力平衡层预测萌生寿命中值误差为2%，-3σ寿命误差为37%，无残余应力区预测萌生寿命中值误差为3%，-3σ寿命误差为3%；此外，模型仿真的内部裂纹形貌为“鱼眼形”，贴合试验件断口形貌。     

基于晶体塑性的涡轮盘短裂纹扩展模拟方法

针对低周疲劳载荷下发动机涡轮盘早期短裂纹扩展行为,提出适用于工程结构的耦合晶体塑性（CP）理论和扩展有限元方法（XFEM）的多晶短裂纹模拟方法。该方法采用晶体内总累积分解切应变作为裂纹扩展判据并使裂纹沿最活跃滑移系对应的滑移平面传播。框架采用子模型技术/分区域网格细化以及宏-介观本构结合的方法解决真实工程结构和微观模型尺度不匹配的问题,在可接受的计算代价下预测了涡轮盘危险截面处的短裂纹扩展路径及速率。结果表明该结构内早期裂纹生长路径及速率受到晶体取向的影响而出现较大分散性,同时验证了基于CP-XFEM的框架在预测工程结构短裂纹扩展寿命及分散性上的可行性。      

弹用二元超声速进气道侧滑敏感性数值分析

为评价二元超声速进气道在侧滑飞行条件下的适用性,基于Fluent软件,运用CFD数值模拟技术,开展了某实例二元超声速进气道内外流三维流场数值仿真计算,分析了有侧滑时进气道内部的流动性态,揭示出侧滑导致进气道迎风内侧壁附面层增厚,从而强化附面层对超声速扩压段斜激波和喉道段流动的干扰作用,使进气道捕获流量特性和总压恢复性能同步下降,侧滑角越大,进气道总体性能损失幅度越大。总体上,在0°~6°的小侧滑角范围内,因侧滑导致溢流造成进气道捕获流量的相对损失幅度低于3%,总压损失幅度不超过1.29%,表明在此条件下进气道总体性能对侧滑敏感性弱,仍可恰当适用。     

宽Ma数范围固定几何进气道设计问题研究

针对Ma=2～3.5中等超声速宽范围的设计要求,通过实例方案设计和CFD数值模拟分析表明,按工程上现行的折中设计思想,固定几何进气道的内流道型面实质上是为满足低速接力要求而设计的。在高速巡航时,其超声速扩压段气流总折转角偏小,且喉道高度偏大,对捕获来流压缩不充分,导致喉道段的气流流速过高,且畸变显著,致使结尾正激波总压损失过大,是进气道高速性能差的主要成因。     

车削表面及微观结构影响小裂纹形核扩展概率模型

车削试件疲劳行为受表面状态及材料微观结构影响显著。为提高对车削件初始寿命及分散性的预测精度,将车削表面粗糙度、残余应力及材料微观结构作为输入参数,提出综合考虑以上因素影响的随机小裂纹形核扩展概率模型。针对高温合金X材料,在开展试验的数据基础上,识别刀痕深度、残余应力及晶粒尺度随机分布参数,并建模,进而识别了晶体塑性本构、小裂纹形核及扩展模型参数。对高温合金X盘坯不同晶区取样等直棒试件宏观裂纹的萌生过程仿真结果表明：当前模型各晶区仿真寿命抽样分布±2σ区间全覆盖相应试验寿命,且寿命均值在试验寿命均值1.1倍分散带内。此外,模型仿真的萌生裂纹宏观形貌与试验观测断口形貌相仿。     

基于塑性应变能的中低周疲劳概率寿命模型

由于材料、尺寸以及载荷等的分散性,涡轮盘疲劳寿命存在较大的分散性。在充分考虑材料加卸载应力、应变及应力比对疲劳寿命影响的基础上,提出了一种适用于中低周疲劳的塑性应变能概率寿命模型。该模型在考虑材料、尺寸和载荷等导致寿命分散的因素的基础上,重点考虑了循环应力应变曲线的分散性,结合根据应力比的二次插值,获得了插值范围内任意应力比下的塑性应变能损伤参量与疲劳寿命的关系。运用所提概率寿命模型结合响应面法与蒙特卡洛法对某涡轮盘螺栓孔模拟试件进行了概率寿命分析。结果显示,模拟试件的计算结果与试验结果的中位寿命仅相差022%,寿命分散系数相差581%,说明本概率寿命模型概率寿命预估精度高。      

考虑缺口和体积效应的轮盘等效体积概率寿命分析方法

航空发动机轮盘的疲劳破坏多伴有缺口效应和体积效应。为了研究缺口效应和体积效应对疲劳寿命的影响,采用修正Walker模型考虑平均应力的影响,建立能统一描述各应力水平下疲劳寿命分布的三参数Weibull模型,在"等概率寿命、等损伤"的基本思想下,将轮盘大应力区的危险体积转换为具有相同损伤的等效体积,进而利用Weibull最弱环理论可获得具有缺口效应和体积效应的轮盘危险部位在任意失效概率下的疲劳寿命。对两种不同厚度(4mm和6mm)的涡轮盘螺栓孔模拟试件进行概率寿命预估,并与试验结果及应力体方法预估结果进行对比。结果显示,本方法对两种模拟试件的概率寿命预估结果最大误差在30%左右,在中位、高可靠度时的最大预估误差为-23.2%,预估精度高于应力体方法。