旋转固体火箭发动机喷管热结构分析

以某固体火箭发动机喷管为例,研究其旋转情况下的流动、传热及热结构响应性能。利用雷诺应力湍流模型,结合增强型壁面函数,求解N-S方程。以喷管内壁面温度分布为边界条件,求解二维轴对称瞬态热传导方程。将瞬态温度场按时间步长加载,进行瞬态静力学分析,得到不同转速下的流场、温度场及应力场。结果表明,喷管在旋转情况下,喷管内壁面尤其是喉部及扩张段温度分布在转速为100 r/min及600 r/min左右时变化剧烈;旋转内流场与喷管结构的耦合作用加剧了喷管的传热,尤其是喉衬的烧蚀,特征点温度值随转速增大而升高;最大热应力位于喷管最外层尾端,整体热应力在转速低于100 r/min时得到释放,随着转速的不断增大,喷管整体最大热应力及扩张段特征点应力随之增大,而喉衬特征点由于旋转导致了温度梯度降低,其应力值随之减小。     

复合材料层合回转壳瞬态温度场和热应力场分析

 本文用有限元法研究了复合材料层合回转壳瞬态温度场和热应力场。考虑了各种温度边界条件。假定各铺层是横观各向同性的,但其铺设方向可以是任意的。对8节点等参元,提出了一种新的集中热容阵,有效地提高了瞬态温度场计算精度。根据本文提供的数值结果,讨论了层合壳的热传导规律,并通过比较瞬态热应力与稳态热应力的分布和大小,阐述了瞬态效应。     

固体火箭发动机药柱三维温度场应力场有限元分析

采用有限元法计算固体火箭发动机药柱在固化冷却时的三维瞬态温度场。基于粘弹性积分型本构关系，计算热应力场。计算程序可用于工程实际。     

喷管喉衬结构瞬态温度测量及导热反问题方法应用

为了获得实时可靠的固体火箭发动机喉衬结构瞬态温度,采用内埋快响应烧蚀热电偶对发动机喉衬结构瞬态温度进行测量,并应用导热反问题方法(Beck序列函数法)计算其喉部内壁面温度和热流密度。采用的试验方案有效避免了传感器探头与喉衬内壁面烧蚀速率不同而干扰流场或中途烧毁等现象发生。试验结果显示越靠近内壁面的测量点温度峰值越高,测点温度瞬态变化与发动机工作状态同步性越好。计算结果显示,计算的平均误差为5.6%,最大误差为7.9%,其内壁温度最高出现在发动机工作结束时,热流密度在0.1s内迅速上升,而后又迅速下降,最大值约为30MW/m2。在发动机停止工作2s后,喉衬开始向外界传热。     

喉衬热结构数值分析

本文采用变分原理有限元法计算喉衬内部的温度、热应变和热应力分布及其随时间变化,并给出计算程序框图。与解析解相比,温度及应力计算具有相当的精度,工程计算亦取得良好效果。     

喉衬传热的差分近似计算

固体火箭发动机喷管喉衬传热计算要求确定燃气传给喷管壁的热流量井计算喉衬壁中的热传导。对碳基喉衬,不考虑其微量烧蚀及附面层内化学反应效应时,对流换热系数常用巴兹快速估算公式;轴对称喉衬壁中温度分布及其随时间的变化,可以采用把喉衬划分为相互之间热传递忽略不计的众多空心圆管的方法、求解壁中的瞬态热传导。方程的定解条件是初始温度分布、喉衬内外表面的对流换热及不同料层的界面接触方程。 本文给出了求取数值解的显式差分方法及其程序框图。计算结果同地面试车状态下温度测量相当接近,能为工程计算接受。本法尚可用于热物性随温度变化的情况,只是稍微作些补充运算;对单室双推力发动机也同样适用。     

双脉冲固体发动机喷管传热烧蚀特性

为了研究双脉冲固体发动机喷管的传热烧蚀特性,由燃烧室压强及发动机推力试验曲线得到了喷管喉径的瞬变值,由FLUENT流体计算软件进行流固耦合传热烧蚀计算,得到了喷管瞬态温度分布、绝热材料热解炭化情况及碳/碳(C/C)喉衬瞬态烧蚀率,分析了脉冲工作过程及脉冲间隔时间对喷管传热烧蚀的影响.计算结果表明,脉冲工作过程中,绝热材料热解线、炭化线向材料内部扩展,喉衬烧蚀率不断增大;脉冲间隔时间内,喷管材料内部的导热使各处温差减小,温度趋于一致;第一脉冲的传热烧蚀与脉冲间隔的材料导热使第二脉冲工作时喉衬整体热沉小、内壁初始温度高、表面粗糙度大,从而导致较高烧蚀率.      

涡轮导向叶片热疲劳分析

某型涡扇发动机在进行地面性能试验时,高压涡轮导向叶片多台次出现了严重裂纹故障。本文以其失效分析为背景,推导出导向叶片瞬态温度场的计算方法,并对该导向叶片进行了瞬态温度场数值分析,进而得出导向叶片的瞬态热应力分布与热疲劳寿命的计算结果。同时对此故障产生的原因进行进一步的分析。分析的结果与该机地面性能试验数据基本吻合,因此,此分析过程可作为热疲劳寿命计算的借鉴。      

复合材料主动冷却薄壁燃烧室设计分析

通过建立流固耦合传热模型,对不同尺寸冷却通道的主动冷却薄壁燃烧室结构瞬态传热特性进行数值模拟,给出了主动冷却燃烧室的瞬态温度场分布及其演化.再采用有限元法计算燃烧室的热应力和应变,从而揭示了冷却通道几何参数及内部煤油体积流量对燃烧室薄壁结构最高温度和热应力的影响规律.计算结果表明:在充分发挥煤油冷却效果前提下,冷却通道距离燃烧室内壁距离越近,所需煤油体积流量越大,而燃烧室结构热应力在10s左右达到最大值,设计时应着重考虑这段时间内的材料性能.      

喉衬组件界面密封失效敏感因素研究

为了研究更为准确的边界仿真方法,针对典型长时间工作发动机,基于ABAQUS软件,通过二次开发建立一套工程可用的喉衬组件传热和背壁热解的数值模拟方法,并对影响喉衬组件温度场的主要影响因素进行分析;对影响背壁热解的关键材料参数进行统计,获得其分布规律;采用Mote-Carlo法获得随机输入参数,通过大量计算,建立输入和输出的近似模型;应用神经网络模拟方法,获得了影响喉衬组件界面密封状态的主要敏感参数。结果表明,数值模拟方法具有较高的精度。     

锯齿冠叶片瞬态热应力模拟试验

锯齿冠涡轮叶片在发动机起动过程中会产生较大的热应力。这种热应力与离心应力、气动应力合成的综合应力可能引起涡轮叶片的低循环疲劳失效。建立了瞬态温度场的热传导、热弹性相似关系 ,通过满足热相似条件的热模拟试验 ,分析了某型锯齿冠涡轮叶片在发动机起动过程的瞬态热应变和热应力 ,其结果为分析该型叶片的低循环疲劳失效原因提供了依据 ,同时讨论了叶冠结构因素对热应力的影响。     

瞬态热应力问题的组合杂交有限元方法

求解瞬态热应力问题的杂交元方法面临Ladyshenskaya-Babuska-Brezzi(LBB)条件的检查,其稳定性难以保证,从而提出瞬态热应力问题的组合杂交有限元方法。建立瞬态热应力问题的基于区域分解的组合杂交变分原理及其有限元离散;通过数值算例验证求解瞬态热应力问题的组合杂交元的数值性能。结果表明:在大宽厚比网格下,八节点六面体组合杂交元(CHH(0-1))可以获得与二十节点六面体元(B20)精度相当的位移计算结果和更好的应力计算结果。     

涡轮导向叶片热冲击数值模拟研究

研究热冲击作用下涡轮导向叶片的热应力及振动模态,旨在从热-结构影响角度揭示静子叶片损伤机理,对其热疲劳寿命分析及抗热疲劳设计具有重要意义。基于瞬态热/流耦合理论,采用有限元/边界元方法,实现某型航空发动机涡轮导向叶片在热冲击作用下的温度场计算,在此基础上求解出叶片的热应力及振动模态。研究表明,采用瞬态流/热耦合可以有效预测叶片的温度分布,其结果与试验误差为6%;依据计算所得热应力及模态振型,可以推断出叶片出现热损伤的位置,且与实验结果吻合较好;根据数值模拟结果,固有频率随温度的升高而下降,前六阶频率平均下降24.7%。     

粘弹结构应力应变场与温度场全耦合的计算机程序及其应用

本文介绍了粘弹结构应力应变场与温度场全耦合的有限元法计算程序,并运用该程序分析了发动机的气动加热试验、硫化降温过程中的热应力问题.解法上采用波前法并对此作了改进,使解算速度提高一倍左右,并使程序能在微型计算机上正常运行.发动机装药热应力的理论分析结果合理,温度场的理论结果与实验结果吻合较好,从而证明了该方法及程序的正确性和实用性.     

固体火箭发动机喷管喉衬应力场的理论预估

本文对固体火箭发动机复合结构喷管石墨喉衬在燃气压力和变温载荷作用下的瞬态应力场,采用有限元法进行了分析、计算.提供了该方法的力学模型与基本方法和算例.计算中考虑了材料的方向性.为了节约计算机内存,整体刚度矩阵(K)采用了变带宽压缩存贮法.为了验证理论计算结果的准确性,还与实验结果进行了对比,两者基本符合.     

航空发动机热应力控制

叙述了一种用航空发动机状态记录数据计算瞬态热应力的有效的方法。通过理论分析比较,证实了这一方法的有效性,避免了在航空发动机运转中对应力进行直接测量的实际困难。同时,在对计算能力的要求和准确度之间实现了可以接受的折中,在部队外场和工厂台架对瞬态热应力所引起的风险进行迅速评估具有现实意义。     

小型固体火箭发动机喷管内壁表面瞬态温度的测量

在喷管石墨喉衬热应力研究的第一阶段,我们完成了理论计算和分折工作。为了验证上述理论工作,也为了进一步发展热应力的预测方法,有必要对喷管喉口段构件进行温度和应力测量。同时,这些数据对于工程设计的改进也有重大意义。 由于固体火箭发动机的工作时间较短,且待测的温度、应力等物理量变化激烈,一般工程上常用的一些测温仪器,如电子电位差计、电阻应变仪等已不能胜任,为此,我们试制了微型计算机控制数据采集系统MDS-1型仪器。利用这套快速数据采集系统,我们成功地在某型号小型发动机上完成了喷管内壁表面瞬变温度历史的测试任务。 本文主要介绍此项测试工作。     

高速飞行器翼面结构热振动试验的TARMA模型方法

高速飞行器翼面结构的热振动试验研究对这类飞行器的设计和安全飞行具有重要的意义。采用时变自回归滑动平均(TARMA)模型方法建立了受热时变结构系统模态频率辨识的数学模型,并用一个数值算例进行了验证。将地面振动测试系统与瞬态热环境模拟系统相结合,设计了翼面结构热振动试验系统并模拟结构的瞬态温度场,同时对纯随机激振力激励下受热时变结构系统的振动位移信号进行测量,并用TARMA模型对时变固有频率进行了辨识,获得了前4阶固有频率随加热时间的变化规律,并将辨识结果与数值计算结果进行了比较,两者误差在5%以内。另外,在稳态均匀热环境下辨识得到的结构系统固有频率变化与数值计算结果也吻合得很好。通过将均匀温度场与瞬态温度场下的结果进行对比分析,指出了瞬态热环境下时变结构的固有频率随加热时间变化的趋势主要由结构材料属性的退化和结构内部不均匀热应力的影响共同决定。     

固体火箭发动机喷管喉衬动边界条件下的温度场计算

本文探讨了固体火箭发动机喷管喉村在烧蚀退移、燃气中固体微粒的沉积以及沉积物吹除所引起的动边界条件下的温度场数值计算模型。模型的建立以有限体积能量平衡的基本原理为依据,采用有限差分的数值计算方法及稳定性较好的交替方向隐式格式求解。为确保数值计算结果在边界退移及网格脱落时的稳定性,采用了插值与迭代相结合的方法,以全隐式格式求解表层网格节点和受热壁面的温度。模型还考虑了多层背村材料结构、变物性材料特性等诸种因素,使之具有一定的普遍性,并可应用于工程设计和研究中。数次发动机实验证明,本文提出的温度场计算模型能够较真实地反映喉衬温度响应,具有较为满意的计算精度。     

喷管石墨喉衬热应力试验和分析

本文根据发动机设计和试验中碰到的技术问题,简要论述固体火箭发动机喷管石墨喉衬温度场、应力场及其影响因素,提出在设计中值得注意的几个问题.