自由装填式固体火箭发动机药柱低温点火结构完整性分析

利用三维有限元方法,通过热-机耦合,分析一种自由装填式固体火箭发动机药柱从药柱固化降温到低温点火整个过程中发动机的温度场、总位移、等效应力和等效应变的变化情况,得到了固化降温和点火升压过程中药柱/壳体有无粘接两种情况下发动机的受力情况的不同,并根据最大应变能理论,分析了两种情况发动机药柱的结构完整性;得出了在温度和压强双重载荷下,模量、泊松比、药柱/壳体粘接高度等参数对发动机药柱结构完整性的影响规律,表明该型发动机药柱/壳体粘接高度不宜超过40 mm。     

固体发动机低温点火适应性模拟试验技术

考虑影响固体发动机低温点火适应性的推进剂低温力学性能、药柱固化降温应变以及药柱在发动机点火升压条件下应变等3个关键因素,设计了可用于全尺寸发动机低温点火适应性研究的ф202 mm模拟试验发动机。通过选取合适的药柱设计参数和发动机初始压强,可对全尺寸发动机在低温点火下药柱应变状态进行模拟。模拟发动机已成功应用于A、B和C等全尺寸发动机低温-40℃或-50℃点火适应性研究中,获得了各发动机低温点火试车时的结构安全余量,可在类似发动机低温点火适应性研究中推广应用。     

低温点火条件下药柱结构完整性分析与试验

固体发动机在低温点火条件下,药柱承受低温和压力载荷的联合作用,结构完整性受到严峻考验,极易发生故障。基于三维粘弹性有限元法,采用MSC. Patran/Marc有限元软件,分析了某模拟发动机药柱在低温和低温点火升压两种载荷下的结构完整性,利用固体发动机冷增压试验系统对该型发动机进行了冷增压试验,考虑温度和压力载荷的不耦合特性,将试验结果与数值仿真结果进行了比对分析。研究表明,药柱在低温点火条件下安全系数为2.46,结构完整性满足要求;试验结果与仿真计算结果一致性较好;相关研究方法和结论可为固体发动机设计、分析与试验提供参考。     

非均布瞬态内压作用下固体推进剂药柱泊松比随机结构分析

考虑了固体火箭发动机点火过程压力分布的瞬态非均布特性,并以函数形式进行描述,结合三维粘弹性有限元法,计算了固体火箭发动机点火工况下的结构完整性。采用Latin超立方抽样方法,考虑药柱泊松比的分布为截断形高斯分布,对药柱泊松比进行随机抽样;利用泊松比的随机抽样结果,分别计算固体火箭发动机点火工况下的结构完整性;统计计算结果,分析泊松比随机分布对固体火箭发动机在瞬态非均布载荷作用下的结构完整性的影响。计算结果表明,药柱Mises应变受泊松比随机分布影响较小,且应变值与泊松比成线性递增关系,这与均布载荷下得到的结论完全相反。在对固体火箭发动机点火工况进行结构完整性分析时,应充分考虑点火过程压力传播的瞬态非均布特性。     

低温状态点火瞬间固体发动机药柱结构响应分析

采用线粘弹性模型,针对固体发动机低温状态点火瞬间的推进剂相关力学特性对固体发动机药柱进行了低温状态点火瞬间的结构响应分析。点火瞬间的推进剂模量变化不大,对药柱的结构响应影响较小;而推进剂在不同状态下其泊松比并非一定值:低温状态下推进剂泊松比的值较小,点火升压下推进剂泊松比迅速增大至接近0.5,推进剂泊松比的微小变化对药柱的结构响应有很大影响。分别计算分析了低温状态点火瞬间推进剂泊松比为定值时与推进剂泊松比为非定值时的药柱结构响应仿真结果。分析结果表明,低温状态点火瞬间的药柱应变呈不断增高而应变率则逐渐降低;计算得圆管型模拟发动机的安全系数为1.48,这比推进剂泊松比为定值时计算得到的安全系数的值减小了13.5%。     

固体火箭发动机加压固化压强优化设计

加压固化工艺能有效降低固化降温过程固体火箭发动机药柱的残余应力,提高其结构完整性。为准确便捷地确定最优固化压强,采用消除壳体对药柱外表面的变形约束的方法,分析加压固化工艺无法完全消除药柱残余应力应变的原因,指出固化降温过程壳体轴向和径向变形是影响药柱结构完整性的主要因素。基于现有数值计算方法,提出一种考虑药柱初始变形的三步分析法,采用全因子试验设计方法,对药柱结构完整性关于壳体轴向变形和径向变形的灵敏度进行分析并给出估算压强;再利用Evol优化算法,基于估算压强对某翼柱形药柱发动机进行了优化分析。确定最优加压压强为1.922 MPa,此时药柱中的最大主应变降为1.085%,与常压固化相比降低了79.15%,药柱中最大主应力较常压固化降低了72.11%。     

非均布瞬态内压作用下星孔药柱应力分析

固体发动机大长径比药柱点火过程中内孔表面受到燃气压力作用,内压载荷迅速上升,并沿轴向分布很不均匀,为典型的瞬态非均布载荷。文中建立了内压载荷关于时间变化和位移分布的数学模型及瞬态非均布内压载荷下药柱结构应力的分析方法,并建立了三维贴壁浇注星型内孔药柱模型,用有限元法计算出非均布压力下的药柱应力-应变分布及变化过程。计算结果表明,载荷的非均布特性及瞬态特性对药柱应力-应变过程影响很大。升压梯度越大,对药柱结构完整性破坏越大。     

固体发动机点火适应性试验及其低温下药柱内孔应变分析

为了深入研究壳体材料、推进剂配方、药柱m数、初始温度等因素对丁羟类推进剂固体火箭发动机的整机可靠性结果的影响,进行了多台钢壳体和碳纤维壳体发动机在-40、20、60℃下的地面点火验证试验。试验发现,该类发动机在-40℃低温下点火易发生失效,且失效多发生在点火信号发出后的压强上升阶段。为此,对各发动机低温点火下的药柱内孔点火应变速率进行了计算。结果表明,失效的主要原因是推进剂低温延伸率偏低,难以适应点火增压过程引起的高应变条件。     

基于Patran二次开发的星形药柱结构分析与设计

为了分析药形几何参数对星形药柱固体发动机结构完整性的影响,在有限元软件MSC.Patrar/Nastran平台上,用Patran的二次开发工具PCL(Patran Command Language),建立了典型星形药柱参数化模型,分析了温度和内压载荷作用下星形药柱最大Von Mises应变随几何参数的变化规律,通过调整几何参数,对低温工况下某星形药柱进行了结构设计.结果表明,星形药柱的星角系数和沟槽深度对其结构完整性影响较大,通过对这两个参数的设计,可使药柱在低温工况下不出现裂纹.所提出的方法和相应结论可为固体发动机设计提供参考.     

含缺陷药柱人工脱粘层前缘应力分析

基于一种发动机燃烧室模型，考虑到推进剂、绝热层和衬层多种材料性能，用有限元法对含缺陷药柱的人工脱粘前缘进行了固化降温和轴向过载两种苛况下的应力分析，考察了四种结构模型，其中三种为含缺陷结构，例如在人工脱粘前缘附近有内聚空洞，对界面应力应变的影响，为发动机药柱完整性分析提供参考。     

固体火箭发动机药柱加压固化仿真

对于药柱外/内径比(m数)很大的贴壁浇注式固体火箭发动机,在固化降温后,推进剂药柱内会产生显著的热应变,这严重限制了发动机的进一步高性能化。加压固化是一种降低推进剂药柱内热应变的有效方法。文中分析了加压固化的原理,推导出了加压固化所需压强与发动机参数之间的关系式,提出了一种两步分析法的加压固化有限元分析方法。针对4种不同壳体材料的圆管发动机,进行了加压固化理论计算与有限元仿真分析,给出了4种壳体加压固化时的推荐压强。     

低温点火条件下固体发动机组合药柱的粘接界面力学响应分析

为了研究组合药柱结构在低温点火工况下粘接界面的损伤脱粘,以某型固体发动机为研究对象,基于内聚力模型,分析了组合药柱结构低温点火下的力学响应特性及界面损伤演化情况。结果表明,在低温点火工况下,壳体/包覆层间隙无压强时,组合药柱变形大,由于药柱所受应力超过材料极限性能,导致界面结构破坏,续航段/增速段药柱界面为结构损伤薄弱处。同时,针对续航段/增速段药柱界面进行研究,分析了界面力学性能及续航段药柱模量对界面损伤分布的影响。结果表明,随着界面强度、断裂能的提高,药柱结构完整性会显著改善,而随着界面刚度的增大,仍会出现界面脱粘现象;降低续航段药柱瞬时模量,界面脱粘范围减小,但同时续航段药柱的等效应变会显著增大。     

复合材料壳体发动机推进剂药柱立式贮存应力分析

固体火箭发动机(SRM)推进剂药柱在立式贮存时要承受两种主要栽荷联合作用，即固化降温趋于平衡后的长期温差热载荷以及轴向的重力载荷作用。根据推进剂的材料特性以及不同的加载条件，采用线弹性理论，分别进行了SRM药柱在两种载荷作用下的三维有限元应力、应变计算，对药柱及其界面的危险部位重点进行了分析。     

机载发动机药柱在温度循环载荷下的力学响应分析

针对机载导弹固体火箭发动机在地面常温贮存和高空低温下挂飞的实际情况,利用ABAQUS有限元软件计算分析了HTPB推进剂药柱在飞机多次起降过程中形成的温度循环载荷下受到的热应变分布,研究了循环次数和挂飞时间对药柱温度场和应变场分布的影响规律,重点分析了药柱内几个特征点的温度和应变随循环次数、挂飞时长的变化,基于以上分析对药柱结构完整性进行了失效评估。结果表明,在挂飞阶段结束时刻,最低温度位于燃烧室外表面,最大应变始终位于药柱内孔;在一定循环次数内,药柱所受热应变随次数的增加有所增大,而挂飞时长的增加会使药柱受到的热应变明显增大,对装药结构影响更加显著。仿真结果对后期进行推进剂试验研究和发动机挂飞工况下的安全设计都具有实际参考意义。     

一种自由装填式组合药柱的低温三维结构完整性分析

为分析自由装填式复杂组合药柱在低温多次出现点火爆炸的原因,采用基于Updated Lagrangian方法的三维热粘弹性大变形增量本构关系,对组合药柱的结构完整性进行了计算。为分析瞬态温度场以及热应力应变分布,采用基于时温等效原理和热流变简单材料假设的有限元模型,得到了危险点位置,并比较了在不同贮存温度下组合药柱的结构完整性。结果表明,药柱结构的不合理性是导致低温贮存条件下组合药柱发生结构完整性破坏的主要原因。     

考虑对流换热影响的固体发动机热力耦合分析

考虑壳体与空气自然对流换热的影响,对固体发动机结构进行了热力耦合有限元分析。研究了对流换热对发动机结构响应的影响,讨论了不同对流换热系数下的温度及应变响应变化规律,评估了某双伞盘固体发动机经历固化降温、低温试验及低温贮存过程的结构完整性。结果表明,考虑对流换热能更准确地反映发动机的受载状态;对流换热系数变化影响其结构响应历程,但随对流换热系数的不断增大,这种影响逐渐减弱。     

固体火箭发动机药柱主动段飞行时应力应变分析

为了探讨固体火箭发动机药柱主动段飞行时的形变、应力和应变变化规律,以星形药型发动机为例,采用三维粘弹性有限元法,根据推进剂药柱的燃烧规律,通过计算发动机药柱在整个工作过程中不同烧蚀情况下各构成部分的结构响应,得到了主动段飞行时发动机药柱在不同环境温度、燃气内压与轴向过载联合作用下位移、应力和应变场随时间的变化规律。结果表明,低温点火发射时,内压增压至峰值时为发动机最危险时刻。     

HTPB推进剂“脱湿点”及快慢组合拉伸研究

针对空空导弹发动机对药柱结构完整性分析的特殊需求,开展了复杂载荷下某新型HTPB推进剂的力学性能试验研究,分别进行了不同温度环境下,推进剂单轴定速及快慢组合拉伸试验,研究了温度、拉伸速率、"转换应变"对推进剂极限力学性能和"脱湿"损伤行为的影响。结果表明,该新型推进剂在低温环境中具有良好的力学性能,其抗拉强度、断裂强度、最大伸长率、断裂伸长率、初始模量随拉伸速率的增大呈增大趋势,随温度的升高而减小。拉伸速率增大或者温度降低,"脱湿点"强度呈增大趋势,"脱湿点"前移,更易发生"脱湿"行为。在应变速率快慢组合试验中,推进剂极限力学性能参数随着"转换应变"的增大呈下降趋势。相关结果和结论可为复杂载荷下空空导弹发动机药柱的精细结构完整性分析提供参考。     

某发动机药柱掉块对其结构完整性的影响

针对发动机药柱掉块的现象,进行了发动机的结构完整性分析。基于三维粘弹性有限元分析方法,以某含伞盘药型的固体导弹发动机为例,建立了不同位置、不同大小掉块的有限元计算模型,计算了发动机药柱在内压与轴向过载联合作用下的Von Mises应变场,得到了发动机药柱掉块对其结构完整性的影响情况,其中影响最大的是药柱飞边掉块,而前后翼锥处掉块对其结构完整性几乎没有影响。文中方法和结论为固体导弹发动机的使用和判废提供了技术支持。     

固化降温过程中推进剂药柱的瞬态响应分析

应用有限元法,对固体火箭发动机药柱在固化降温过程中的三维瞬态温度场进行了数值模拟,并基于药柱的粘弹性本构关系,计算了由瞬态温度场引起的应力应变响应。给出了危险点的应力应变随时间的变化规律,可供结构整体分析参考。