一种大型固体火箭发动机界面脱粘缺陷的无损检测方法

针对列装部队服役产品现场开展固体火箭发动机燃烧室界面粘接质量无损检测的需求,研制了一种针对大型固体火箭发动机燃烧室推进剂/衬层/绝热层界面脱粘缺陷的无损检测系统。该系统基于机电阻抗频率响应函数方法,由多通道高速数据采集设备、压电主被动传感晶片、激励装置和软件评估系统组成,利用激励装置敲击固体发动机壳体待测结构表面,通过Lab VIEW数据采集程序测得响应信号,根据机电阻抗频响波形特征及波峰数量判断界面脱粘缺陷。当燃烧室绝热层/衬层/推进剂界面结构完好时,频响函数曲线仅有一个明显平滑的主波峰,当燃烧室绝热层/衬层/推进剂界面出现脱粘缺陷时,频响函数曲线的波峰数量增加,呈现明显的锯齿波形状。该方法便捷高效,非常适用于大型固体火箭发动机总装后整体产品燃烧室界面粘接质量的快速野外排查,也可进行长期的燃烧室界面状态健康监测。     

固体火箭发动机燃烧室过载下的三维应力分析

采用三维线性粘弹性有限元模型,对固体发动机药柱、绝热层和壳体的应力场进行了分析,得出了固体发动机在轴向和横向过载作用下的应力。结果表明,药柱的前后端、翼槽和壳体-绝热层交界面均是产生裂纹或脱粘的危险部位,为固体发动机的结构完整性分析和结构设计提供了依据。     

固体火箭发动机橡胶绝热层粘接分析

介绍固体火箭发动机金属壳体、绝热层、胶粘剂表面特征,并对其各界面粘接问题进行分析。阐明绝热层配方设计与界面粘接关系。确定胶粘剂研制、选用原则,分析界面脱粘类型及原因。控制工艺要点、降低界面缺陷,提高粘接性能,以满足发动机装药结构完整性和使用可靠性的要求。     

小型固体发动机燃烧室绝热层气囊自动膨胀加压粘贴成型工艺

提出了一种新型的固体火箭发动机燃烧室绝热层粘贴成型工艺。该方法使用成型模具先将绝热层模压硫化成预制件,然后在真空烘箱中,利用封口密闭气囊在真空环境下的自动膨胀加压作用,将硫化预制件粘贴到壳体上。该工艺方法显著特点是封闭气囊内的空气因热效应产生的压力增量抵消绝热套弹性变形的压力消耗。以TI116绝热层的使用为例,利用弹性变形模型计算出了该工艺方法所能适用的绝热层橡胶套的最大厚度,最低固化成型温度。通过拉伸试验确定了所用胶粘剂的固化参数,并对粘接数据曲线的原理进行了初步分析。整个粘贴成型过程中,真空烘箱还同时为绝热层/壳体界面提供了合适的真空度,避免粘贴界面的裹气、脱粘。相比于传统的气囊充气加压成型工艺方法,该工艺方法步骤简化,操作简便,单批次绝热成型壳体数量多,效率高,能很好地保证绝热层尺寸,适合于小型发动机的快速绝热成型。     

固体火箭发动机界面脱粘裂纹分析

使用有限元法,在裂纹尖端周围布置有限奇异裂纹单元以模拟裂纹尖端附近的奇异性。针对轴对称发动机头部的界面脱粘裂纹,计算了点火内压作用下,发动机衬层/药柱、壳体/绝热层界面不同深度脱粘裂纹尖端的应力强度因子,指出应力强度因子随裂纹深度的发展规律。结果表明,当裂纹深度较小时,衬层/药柱界面处于闭合状态,应力强度因子几乎不发生变化,随着裂纹深度的增加,裂纹呈张开状态,裂纹尖端的应力强度因子不断增大;壳体/绝热层界面裂纹总是处于张开状态,且应力强度因子随裂纹深度的增加而增大。     

固体火箭发动机壳体/绝热层界面缺陷的声-超声检测

为了对固体火箭发动机钢壳体/绝热层界面缺陷进行有效检测,基于HSD4超声波发射/接收卡,构建了声-超声实验系统.对具有圆底孔和脱粘缺陷的钢壳体/绝热层试件进行了检测,检测信号分别采用了权振铃应力波因子方法和驻波共振模型进行分析.实验实现了对缺陷的有效检出,并可对圆底孔缺陷大小作定性评估和脱粘缺陷的定位.实验结果表明,声-超声实验系统对界面缺陷的检测是有效的.     

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。     

固体发动机推进剂/绝热层界面I型脱粘力学行为试验与仿真研究

为了准确描述和预测固体发动机界面的粘接性能,为固体发动机结构完整性分析提供有效参考,通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序(UEL)对基于势函数的PPR内聚力单元进行了二次开发,设计了固体发动机推进剂/绝热层界面Ⅰ型脱粘试验方案,并基于试验的反演分析获得PPR内聚力模型对应的特征参数,对不同加载速率下粘接界面的断裂与损伤特性进行了相关研究。研究表明,PPR内聚力模型能够较好地描述界面脱粘过程,且粘接界面的力学行为具有显著的率相关性,随着加载速率的增大,粘接界面的内聚能和内聚强度均增大,法向初始刚度和损伤起始位移均减小。此外,I型界面脱粘试验过程中加载力随位移的变化可分为强化阶段和损伤演化阶段,粘接界面的速率相关性主要体现在损伤演化阶段。     

固体火箭发动机燃烧室界面脱粘的声振检测

为实现战术固体火箭发动机绝热层／推进剂界面分离型脱粘的检测，针对超声谐振法进行了理论分析与检测试验，通过对试验结果的分析，确证了采用该方法能够实现绝热层／推进剂界面分离型脱粘的检测，并对这一方法中影响检测结果的因素进行了讨论，提出了完善检测方法的建议。     

固体火箭发动机绝热层脱粘的脉冲热像检测分析

为了给红外热像法在固体火箭发动机绝热层检测中的应用提供科学依据,用数值模拟法分析了绝热层脱粘脉冲热像检测的基本规律。得到了决策参数与结构参数之间的多变量关系,并对部分检测规律进行了实验验证。最大温差和最大对比度与脱粘尺寸之间的关系,可用分段线性函数近似描述,随着脱粘尺寸的增大,最大温差和最大对比度都增加;最大温差和最大对比度与绝热层厚度的关系是非线性函数关系,随着绝热层厚度增加,最大温差和最大对比度迅速下降;钢壳厚度的增加,对从绝热层一侧的单面法检测有利。所得数据和结论为固体火箭发动机绝热层脱粘的脉冲热像检测提供了指导。     

基于SHMSRM系统传感器分布优化的损伤识别技术

针对固体火箭发动机结构健康监测(SHMSRM)系统的传感器合理布置问题,提出了基于遗传算法的传感器分布优化。利用ANSYS软件对药柱有限元模型进行了应变分析和模态分析,得到了传感器优化布局初选点,再基于遗传算法对初选点进行优化排序。阐述了该系统的损伤识别原理,基于应变传感器所收集的信息,确定了以应变模态变化率作为损伤识别指标,提出了应用应变模态分析解决药柱的损伤识别问题。算例证明了此方法的可行性和有效性。     

可重复使用运载器结构健康监测技术研究进展

系统梳理了国内外针对可重复使用航天运载器开展的结构健康监测技术研究工作情况,并针对其中的关键技术问题,包括热防护系统连接松动检测、低温贮箱健康监测、结构冲击监测、在轨试验验证进行了详细讨论,总结了国内外的研究现状、技术能力以及发展趋势,指出了结构健康监测系统实际部署中的技术需求,为今后可重复使用运载器结构健康监测系统的实际应用提供借鉴。     

固体火箭发动机静电的产生与防范

论述了固体火箭发动机产生静电的机理，分析了发动机在系统中的电磁环境，同静电起电有关的位置环境，提出了发动机发生静电激发点火的模式。以复合材料壳体并装有丁羟推进剂药柱的固体发动机为例，对其静电发火可能性及防范措施作了分析。按照有关的静电感度标准和试验方法，对发云南壳体，药柱，片状或粉状推进剂和火工品，进行了静电特性的试验。     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

碳纤维复合材料贮箱内压和低温承载行为研究

碳纤维增强聚合物复合材料具有轻质高强的优异特性,是液氢液氧燃料贮箱的理想材料。然而液氢液氧燃料贮箱在服役时要承受极低温度载荷,复合材料贮箱箱体的低温结构可靠性尚未可知。开展了碳纤维/环氧复合材料缠绕贮箱结构在温度和内压载荷下的变形及损伤研究,分别进行了常温/低温抗渗漏测试,结合应变测量、声发射监测、氦质谱检漏等方法分别研究了内压以及低温工况对复合材料贮箱的应变分布及损伤泄漏状态影响机制。研究结果表明,封头与圆筒区域交界处易产生应变集中,低温载荷导致复合材料局部小幅度基体损伤及纤维/基体界面脱粘,但并未影响贮箱箱体承压性能和气密性。本研究可为未来大型航天器减质设计提供参考。     

复合材料壳体固体发动机药柱工作内压三维结构分析

对复合材料壳体的固体发动机药柱在工作内压作用下的变形和三维应力、应变进行了计算。复合材料壳体简化为正交各向异性结构，确定其弹性材料常数和材料的主轴方向，壳体变形计算和多次水压测试结果基本一致，在此基础上进行了药柱的三维应力、应变分析，为药柱完整性分析提供了参考。     

螺栓连接松动的导波监测技术综述

螺栓连接件使结构易于安装或拆卸,同时还可以承受较大的载荷,广泛应用于航空航天结构中。然而,螺栓在复杂服役环境中很容易发生松动,因此准确监测螺栓预紧力对于确保结构的可靠性和安全性具有重要意义。经过多年的发展,基于超声导波的结构健康监测方法逐渐成为螺栓连接松动监测的重要技术手段之一。对典型的螺栓预紧力导波监测方法进行了综述,包括导波能量耗散法、时间反转法、接触声学非线性法和混沌超声法等方法,介绍了这些方法的基本原理和发展现状。同时,通过实验将目前应用较多的导波能量耗散法、时间反转法进行了对比,结果表明时间反转法的监测灵敏度更高。     

改进的Mori-Tanaka法在复合推进剂非线性界面脱粘中的应用

针对复合固体推进剂基体的大变形和界面的脱粘问题,对Mori-Tanaka法进行了改进.同时,为验证该方法的有效性,针对推进剂颗粒随机填充的特点,提出了一种含非线性界面脱粘的数值方法.最后以某推进剂配方为算例,对2种方法的计算结果进行了比较.结果表明,2种方法结果接近,从而验证了改进的Mori-Tanaka法的有效性,且...     

复杂载荷下复合材料组合壳体局部补强的数值分析

分析某固体火箭发动机的复合材料组合壳体在轴压、外压及弯矩联合作用下的变形情况发现,该结构铺层设计不够合理,造成复合材料铺层变形不协调,导致结构过早破坏。通过数值模拟方法,对在复杂栽荷作用下结构复合材料局部铺层改变进行补强研究,提出相应的优化局部铺层补强的方案。计算结果表明,所提出的局部改变铺层的方法可以较大幅度地提高结构承载能力,为结构设计的改进提供参考。