潜入式喷管喉衬界面间隙优化设计

为了解决固体火箭发动机潜入式喷管喉衬在热载荷与内压联合作用下界面间隙优化问题,数值模拟方法求解了喷管热结构响应。采用流体仿真软件,计算了潜入式喷管流动过程的稳态流场,获取了高温燃气流动参数与固体壁面对流换热系数。并采用三维有限元结构计算平台,编写了非均布壁面压力载荷与非均布对流换热系数子程序,求解了喉衬前后搭接界面间隙在0mm,0.05mm,0.10mm,0.15mm,0.20mm下喷管热结构耦合问题,获取了材料内部温度场与应力场分布。结果表明,喉衬环向压应力与拉应力都随时间增加,先增大后减小。其次,随间隙增大,喉衬拉应力先减小后增大,喉衬压应力先增大后减小。再次,依据界面闭合与喉衬环向受力最小的准则,确定了喉衬前后间隙的相对最优值,前间隙相对最优值0.10mm,后间隙相对最优值0.05mm。本文数值方法可为喷管热防护材料界面搭接与喉衬界面间隙设计提供指导,也可应用于评估喷管热防护与结构强度安全余量。     

固体火箭发动机壳体强度热力耦合分析

为了研究导弹发动机壳体在高空飞行时的温度、应力、应变状态,从而对壳体的结构强度进行校核,研究了导弹壳体气动加热的计算方法,建立了某发动机壳体的三维有限元模型,合理简化气动边界条件,计算壳体温度随导弹飞行时间的变化.对比风洞试验结果,有限元计算结果与试验结果一致性较好.分析了ABAQUS软件热-力耦合实现方法,对该模型施加不同时刻的外力载荷,实现壳体的热-力耦合数值分析.进行热-力耦合联合加载试验,对比计算结果与试验结果,计算结果与试验结果吻合较好.壳体的应力、应变都远小于材料的极限值,壳体结构安全.该有限元计算方法可以用来进行壳体的热-力耦合强度分析.     

双脉冲固体火箭发动机压强振荡特性研究

为了研究隔舱消融对双脉冲发动机中燃烧室的压强振荡影响规律,选择隔舱消融几个典型时刻进行研究,运用大涡模拟(LES)方法,对Ⅱ脉冲工作时的发动机流场稳定性进行数值模拟.最后得到了各工况下的压强时间曲线及其快速傅氏变换(FFT)结果.分析表明:由于Ⅱ脉冲工作初期隔舱暴露在流场中产生额外扰动,以及隔舱级间通道形成狭窄通道的加速作用,是导致边界层分离而引起障碍涡脱落的主要因素.点火初期,双脉冲发动机易发生轻微压强振荡.随隔舱消融,整个流场在发动机工作中、后期逐渐趋于平稳.      

双脉冲发动机快速建压过程中轴向隔层变形

为获得轴向隔层式双脉冲发动机在Ⅰ脉冲燃烧室点火建压过程中Ⅱ脉冲药柱和隔层的变形情况,建立了隔层和药柱的二维轴对称有限元模型,进行了有限元计算及外推分析。计算结果表明,对Ⅱ脉冲药柱长度较长的端面燃烧药型的双脉冲发动机,轴向隔层在I脉冲燃烧室快速建压过程中的变形较大。设计并进行了I脉冲燃烧室快速充压试验。试验结果表明,在I脉冲燃烧室快速充压过程中,轴向隔层变形较大,变形量与有限元计算结果以及外推结果吻合较好。     

脉冲发动机中隔层传热炭化模型

为分析脉冲发动机中隔层的绝热效果及温度变化情况,推导了隔层两种炭化模型的计算公式,对比实际发动机试车结果,模型一误差为20%,模型二误差为6.7%,炭化模型二具有较好的精度;数值模拟了隔层的热传导过程,将是否考虑炭化影响的隔层传热深度及温度分布与理论计算结果进行对比,未考虑炭化影响计算结果的误差在14.3%以上,考虑炭化影响计算结果的误差均小于10%。研究结果表明,预估隔层炭化深度时,应该运用炭化模型二;计算隔层的温度场分布时,必须考虑炭化影响。     

脉冲发动机中金属膜片式隔舱动态破坏过程研究

为了实现固体火箭发动机的多脉冲启动功能,设计了一种金属膜片式隔舱(PSD)结构,利用断裂力学理论和圆板大挠度理论建立了金属膜片的设计公式,根据燃烧室的使用要求确定了打开压强为2.2 MPa的金属膜片尺寸,利用脆性断裂模型模拟了膜片的破坏过程,得到其打开压强为2.15 MPa,有限元数值计算结果与公式计算结果符合较好。设计了金属膜片打开破坏的单项试验,5次试验平均打开压强为2.10 MPa,数值模拟的破坏形式与试验结果一致。通过区间估计,计算了膜片真实平均打开压强置信度为90%的置信区间为[1.90 MPa,2.30 MPa],该范围可以较好满足脉冲发动机的使用要求。     

高压下喷管柔性接头摆动力矩数值分析

为了研究柔性接头摆动力矩随容压的增加而减小的内在原因,建立某型号柔性接头三维有限元模型,利用"三阶五项式"超弹本构模型表征弹性件橡胶材料的本构关系,数值模拟柔性接头在不同容压下的摆动过程。发现弹性件剖面上的剪应力场分布及数值随容压变化明显,由其计算出的摆动力矩变化明显。整理计算结果发现,摆角相同时,随容压增大摆动力矩呈减小趋势,该现象与实验结果吻合较好。     

弹性件剪切模量随压力变化的试验分析

通过单轴拉伸与平面拉伸试验,得到了柔性接头弹性件橡胶材料“三阶五项式”超弹本构模型参数,通过有限元计算证明了该模型的优越性.为了获得柔性接头弹性件材料剪切模量随容压的变化规律,设计了双轴加载试验装置和表征柔性接头弹性件的三重片试件,进行了压缩剪切联合加载试验及有限元数值模拟.试验结果发现,橡胶材料的剪切模量并没有随压力的升高而减小,该现象与计算结果吻合较好.     

任意最大应力梯度路径轮盘模拟件设计方法

建立基于应力寿命轮盘二维模拟试件设计准则,提出了具有任意最大应力梯度路径的轮盘模拟试件优化设计方法,包括自动搜索第一主应力最大梯度路径和应力分布,以及模拟试件的二步优化设计策略,提出了模拟试件弹性和弹塑性设计等价原则.通过某轮盘模拟试件设计例说明了方法的应用.      

双脉冲发动机中金属膜片动态与静态打开对比分析

为了研究双脉冲发动机中金属膜片的打开特性,分别选取Ductile damage模型和Brittle cracking模型来模拟膜片静态和动态打开过程。数值计算发现膜片分别在3.46MPa静态内压载荷和1.95MPa动态内压载荷作用下打开。为了验证计算结果的有效性,进行了膜片的冷流静态打开和热流动态打开试验,膜片分别在平均3.75MPa静态载荷和平均2.2MPa动态载荷作用下打开,数值计算结果与试验结果一致,说明了数值计算方法的有效性。计算结果和试验结果表明,膜片的静态打开压强明显高于动态打开压强,分析认为是由于膜片的塑性变形、材料本身特性及预制缺陷处的应力松弛引起的。根据隔舱的冷流及热流单项试验可以发现,膜片的打开形式与预期一致,满足双脉冲发动机的使用要求。