三维药柱的热粘弹性有限元分析

采用三维模型,用有限元法分析固体火箭发动机的药柱在硫化降温、内压和轴向过载作用下的热粘弹性准静态响应,为实际结构设计提供参考。     

固体火箭发动机前、后翼药柱三维有限元分析

应用PRO／ENGINEER、I－DEAS软件构造药柱三维几何模型，利用视算技术和方法对药柱几何模型进行处理，建立药柱三维有限元模型，对药柱受固化降温、轴向飞行过载、工作内压载荷作用下的应力应变及位移完成了三维线弹性有限元分析计算，进行了图形后处理，得到了合理的结果。为大型固体火箭发动机药柱结构完整性分析提供了更为准确合理的理论依据。     

轴向过载下固体推进剂药柱变形研究

采用Φ315试验发动机,对某新型推进剂翼槽型药柱进行了10g,20g,30g和35g的轴向过载离心实验,测量了药柱前端面靠近内孔处测点的位移;并运用三维线性粘弹性有限元模型,对离心实验过程进行了数值模拟,以确定固体推进剂药柱在轴向过载作用下的变形问题。结果表明,计算值与实验结果符合较好,证实了粘弹性有限元模型适用于过载条件下药柱变形的研究。     

药柱结构对其抗轴向过载能力的影响

采用三维线性粘弹性模型,对构造的8个药柱模型分别进行有限元计算,得出了药柱在轴向过载作用下的变形结果,指出了药柱内危险部位的位置,分析了半径、长径比、翼槽结构对药柱位移、应力、应变场的影响,得到了轴向过载作用下缩比发动机药柱间变形的比例关系,为离心试验时小尺寸模拟发动机药柱的结构设计提供参考。     

考虑界面损伤的立式贮存药柱结构完整性研究

为了进一步结合实际分析固体火箭发动机药柱在立式贮存条件下的结构完整性，考虑推进剂/衬层界面损伤模式在复杂应力条件下具有多样性。以某型固体火箭发动机为例，与常规将衬层设置为粘接单元相比，模型在推进剂与绝热层之间设置粘接接触。对固体火箭发动机在立式贮存环境时经历固化降温、充气内压和重力载荷联合作用下有无界面损伤时的发动机进行仿真分析。结果表明:界面损伤的存在导致推进剂/绝热层界面这个薄弱环节更危险；该型固体火箭发动机药柱在充气内压增大过程中在人工脱粘层根部部位应力呈先增大后减小趋势；在充气内压达到0.085MPa之前，推进剂与绝热层之间考虑界面损伤时，推进剂在垂直于轴向的靠近人工脱粘层根部部分更容易损伤，之后则推进剂垂直于轴向的初始点更容易损伤。该结论可以为固体火箭发动机结构完整性精确仿真提供一定的指导。     

新增表面等效作用力模拟固体推进剂裂纹动态扩展

固体推进剂作为线粘弹性材料在裂纹扩展过程中,外力和体力对体系作功的同时,材料的粘性内耗散和断裂表面能释放使体系能量降低。将裂纹扩展新增表面上等效作用力的概念引进有限元中,计算裂纹扩展过程中的应力强度因子和断裂表面能释放对体系应力应变场的影响,从而使得有限元可以模拟计算固体推进剂裂纹的动态扩展过程,解决了固体推进剂非定常燃烧扩展模拟中的难题。     

固体推进剂线粘弹性有限元分析

本文利用有限元法对固体火箭发动机药柱进行了线粘弹性分析,同时考虑了发动机外壳的影响.在推导公式中,还考虑到发动机内压和轴向过载对温度变化的影响.最后通过几个典型问题的计算,得到较满意的结果.     

聚硫推进剂燃烧条件下裂纹扩展过程的研究

研究了影响聚硫推进剂试件内裂纹扩展的各种因素。对含裂纹的推进剂试件进行了大量的燃烧试验,其燃烧过程用Ｘ射线实时成像系统进行了记录;并用粘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,利用Ｊ积分法对裂纹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、裂纹尺寸、边界条件等因素对裂纹的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的参考价值。     

带装药裂纹发动机内流场数值研究

在N－S方程基础上，考虑网格移动，建立了适用于固体火箭发动机内流场的湍流控制方程组，并对带装药裂纹的固体的火箭发动机内流场进行了数值模拟，分析了推进剂中裂纹深度，宽度、位置、角度等多种因素对发动机内流场的影响，计算结果表明：（1）裂纹出口处流速高，大于主通道流速，在裂纹出口附近存在回流区；（2）当裂纹紧靠发动机前封头时，裂纹出口附近回流强度减弱，裂纹对发动机内的流动影响较小；（3）当裂纹深度与裂纹宽度比大于240时，裂纹内压强急剧升高，对发动机装药结构完整性具有重要影响。     

固体推进剂裂纹对流燃烧和扩展的研究分析

评述了固体推进剂裂纹对流燃烧及扩展的研究，讨论了推进剂裂纹对流燃烧的流场与裂纹的变形、扩展及其之间存在着强耦合作用。初步揭示了在不同的燃烧室压力率下单一裂纹扩展的不同模式，指出裂纹腔内火焰的离散传播、裂纹尖端的压力突升以及对流燃烧条件下的裂纹失稳扩展极可能诱导产生DDT过程，提出了需进一步深入研究的问题。     

基于三维裂纹尖端应力场的应力强度因子计算方法

提出一种基于无限大体裂纹尖端弹性应力场理论解的前几项多项式函数,对实际裂纹体弹性应力场有限元解进行拟合来计算应力强度因子的方法.该方法在计算应力强度因子时不需要预先假设裂纹尖端的应力应变状态,应力强度因子计算结果更符合三维裂纹体裂纹尖端实际的应力应变状态.首先基于二维无限大板中心穿透裂纹应力场理论解验证了方法的有效性,探讨了拟合确定应力强度因子需要的多项式应力函数的项数.然后分别以二维大板中心穿透裂纹、三维大体内埋圆裂纹和三维有限厚板中心穿透裂纹的应力强度因子计算为例,通过与无限大板和无限大体应力强度因子理论解以及基于位移外推法和1/4节点张开位移法的应力强度因子有限元解的对比分析,验证了该方法的有效性和合理性.研究表明该方法能够合理反映三维裂纹体裂纹尖端的实际应力应变状态,计算得到的应力强度因子数值更合理.      

含销钉孔边裂纹的某压气机轮盘裂纹扩展分析

基于三维裂纹扩展分析软件FRANC3D V6.0,结合有限元软件,采用子模型技术建立断裂力学有限元模型.对带孔平板试样的裂纹扩展进行了数值模拟,分析了裂纹扩展规律,计算结果与手册解误差很小,结果表明了分析方法的可行性和准确性.建立了含销钉孔边裂纹的轮盘断裂力学有限元模型,对其进行了三维动态裂纹扩展分析,计算了应力强度因子和裂纹扩展寿命.结果表明:该分析方法简单可行,几种裂纹形式中销钉孔内表面裂纹对轮盘裂纹扩展寿命危害最大.      

多孔多裂纹平板的疲劳裂纹扩展试验与分析方法

飞机结构广布疲劳损伤是目前大型客机损伤容限设计与分析的难点。通过试验研究了典型多孔多裂纹2024-T3铝合金平板的裂纹扩展行为。试验结果表明：相邻孔边裂纹之间的相互干扰明显降低了共线多裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命。就本文研究的典型多孔板,所有孔边都出现了等长裂纹这一极端情况,其裂纹扩展寿命是单孔平板孔边裂纹扩展寿命的10%左右。本文采用Eshelby夹杂理论和权函数法给出了典型多孔多裂纹问题的应力强度因子近似解析解,并结合Paris裂纹扩展公式预测疲劳裂纹扩展寿命。与采用有限元法获得应力强度因子并预测多孔多裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命进行对比,对比结果表明：采用解析解和有限元解获得的应力强度因子预测的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果吻合良好;相比于有限元法,本文的应力强度因子解法简单、高效,将有助于飞机结构多位置损伤（MSD）的疲劳裂纹扩展寿命预测分析。     

航空发动机涡轮盘裂纹扩展分析

在计算分析含有角裂纹等厚空心盘应力强度因子基础上,针对某涡轮盘螺栓孔周向应力最大处建立孔边角裂纹的有限元模型;利用J积分法,计算得到不同尺寸裂纹前沿的应力强度因子;采用2自由度法描述扩展过程中裂纹前沿形状的发展,对角裂纹引起的轮盘裂纹扩展过程进行了有限元模拟;最后得到涡轮盘的裂纹扩展寿命。     

基于虚拟裂纹闭合法的铝合金疲劳裂纹扩展分析

基于虚拟裂纹闭合法,以Abaqus有限元软件为平台,编写了用户单元子程序,计算出不同裂纹扩展阶段的应变能释放率和裂纹尖端应力强度因子。结合Paris公式,建立了有限元裂纹扩展模型,可仿真再现疲劳裂纹扩展过程,预测裂纹扩展寿命,为损伤容限评估方法提供一种技术支持。     

单边缺口拉伸试样喷丸强化残余应力及其三维应力强度因子分析

采用有限元计算软件ABAQUS/Explicit建立40Cr钢单边缺口拉伸(SENT)试样喷丸强化的三维有限元模型,分析各喷丸参数与强化后残余应力场的关系。用三维裂纹权函数法求解了三维表面裂纹在喷丸残余应力场下的应力强度因子,并分析各喷丸参数对残余压缩应力强度因子K_res的影响。计算结果表明:当裂纹尺寸较小时,表面残余压缩应力越大,残余压缩应力强度因子绝对值-K_res越大;随着裂纹尺寸的增加,残余压应力层越深,-K_res最大值的发生位置也越深;当裂纹达到一定尺寸时,-K_res受残余压应力场深度变化规律的影响,即残余压应力场的深度越大,-K_res越大。     

含裂纹药柱老化结构分析

为讨论不同贮存年限的含裂纹固体火箭发动机药柱的稳定性,基于黏弹性断裂力学,采用有限单元法,于药柱星角裂纹尖端处设奇异裂纹元,计算了弹射和点火情况下的J积分,对比了不同形状和不同贮存年限裂纹J积分的变化.结果表明:发动机在弹射工况下,裂纹J积分随贮存年限的增加而减小,裂纹的扩展机会越小;在点火工况下,裂纹J积分随着贮存时间的增加而增大,裂纹的扩展机会越大,裂纹不稳定.      

药柱裂纹对固体火箭发动机工作过程的影响

针对某固体火箭发动机点火启动时所受的燃气载荷,用线性粘弹性有限元法分析了无缺陷药柱和含有裂纹药柱的应力—应变场,并探讨了单裂纹部位、裂纹尺寸对发动机工作安全性的影响以及多裂纹条件下,裂纹尺寸和相互位置对裂纹扩展的影响。所得到的结论对制定固体发动机失效判据有一定的参考价值。     

裂纹尖端应力强度因子计算方法的工程应用研究

对有限元商用软件ANSYS的三维应力强度因子的计算方法进行了研究,并采用标准试题验证了该软件的计算精度。研究结果表明,ANSYS程序裂纹尖端应力强度因子计算方法的计算精度可以满足工程设计和分析需要。     

有限元法在标准直齿圆柱齿轮齿弯曲疲劳强度计算中的应用

本文利用有限元法计算了标准直齿圆柱齿轮轮齿应力，得出其分布规律以及危险截面应力最大值。与传统计算结果相比较，其结果更为准确，为轮齿弯曲疲劳强度计算提供了一种简洁、精确的计算方法。