固体发动机界面结构试件脱粘健康监测研究

以复合材料壳体和绝热层脱粘模型试件为对象,利用粘贴于壳体外表面的压电主动激励传感器,基于高频机电阻抗方法,对模拟药柱/绝热层界面脱粘的结构健康状态监测进行了数值仿真和实验研究,得出了不同脱粘损伤工况下的导纳频谱曲线,计算了能表征脱粘程度的平均绝对偏差损伤指标。结果表明,高频机电阻抗方法可利用粘贴于壳体外表面的压电传感器有效地识别内部结构的界面脱粘,相比于传统检测方法,能实现实时的结构健康监测,损伤指标能量化表征脱粘程度,实验采用的两种压电传感器中,MFC传感器较PZT传感器更适合于曲面固体发动机壳体脱粘检测,为开展实际工况下的固体发动机药柱结构界面脱粘损伤监检测工作提供理论与技术支撑。     

固体推进剂低温细观损伤仿真研究

为了研究低温条件下固体推进剂的细观损伤,采用Cohesive单元描述推进剂材料的颗粒/基体界面,基于ABAQUS软件,开发了模拟基体开裂的VUMAT本构子程序,仿真了常温和低温条件下其损伤破坏过程。结果表明,低温对单颗粒推进剂影响较小,推进剂损伤从界面脱粘开始,沿颗粒赤道方向由脱粘面向基体扩展,规律与常温情况相同。随着推进剂颗粒增加,虽然大颗粒仍然首先发生界面脱粘,但是低温会对推进剂界面脱粘和基体断裂的时机、位置和损伤程度造成显著影响,导致推进剂破坏形式更加复杂。     

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。     

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。     

固体推进剂药柱在内压载荷下的应力应变分析

采用有限元法，对含人工脱粘层的某固体火箭发动机药柱进行了线粘弹性分析，研究了在工作内压戴荷下人工脱粘层和材料泊松比对药柱应力应变的影响。分析结果表明，增加人工脱粘层面积可导致药柱头部应力增大。增加泊松比也会加大药柱应力。     

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%。     

发动机点火过程中压强振荡对人工脱粘的冲击分析

针对固体火箭发动机点火过程,采用流固耦合的方法数值模拟了点火过程中发动机内流场以及药柱人工脱粘附近应力应变的变化情况.计算表明,点火初期发动机内部出现激波,并在药柱通道内振荡传播,随时间减弱为压强振荡.压强波动时人工脱粘缝隙的冲击会影响脱粘缝内流场的分布和应力应变,人工脱粘层尖端应力变化与升压梯度变化存在对应关系.激波对人工脱粘缝隙的冲击会引起装药明显变形,但是不会使缝隙增大.     

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。     

点火增压过程中体积模量对药柱结构分析的影响

根据点火过程中压强-时间和压强-体积模量变化规律,得出了药柱体积模量随时间的变化规律。应用该规律分别进行药柱弹性和粘弹性分析,得出了泊松比变化情况,并与体积模量为常数的分析结果对比;进一步应用弹性有限元分析整个点火过程中圆管药柱内孔周向应变变化情况,探讨了点火过程中体积模量对药柱结构分析的影响。分析表明,压强对拉伸模量影响不大,体积模量增大相当于泊松比增大,粘弹性剪切松弛模量可由近似公式求得,对药柱进行点火过程弹性或粘弹性分析时,应考虑体积模量随压强变化的影响。     

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条件下药柱结构完整性分析

分别采用三维弹性和三维线粘弹性模型,对固体发动机药柱在低温和点火升压2种载荷下的结构完整性进行了计算分析。研究了推进剂弹性模量E、泊松比μ、药柱m数等参数对结构完整性的影响。结果表明,在发动机低温点火条件下,药柱内孔表面是最危险部位;固化降温和点火升压2种载荷引起的最大等效应变在此是相互叠加的;药柱m数对固化降温和点火升压载荷下的应变分布有重要影响。     

大型固体发动机燃烧室立式贮存研究

为研究大型固体发动机对特殊立式贮存环境的适应性,开展了大型固体发动机立式贮存状态的受力分析以及立式贮存试验研究。基于大型固体发动机立式贮存环境条件的分析,综合考虑固化降温、充气内压等因素对发动机立式贮存的影响,开展了联合载荷作用下的计算分析。研究结果表明,发动机立式贮存状态相对初始状态前、后人工脱粘间隙都增大,前人工脱粘间隙增大较多,前人工脱粘开口部位轴向位移最大,中孔径向位移最大;发动机充气后药柱的变形量、前后凸环形药柱界面及药柱中孔处等效应力应变随内压提高有所提高,但前后凸环形药柱界面和药柱中孔处受力状态从三向或两向受拉变为三向受压状态,设计合适的充气内压有利于发动机的长期立式存放。燃烧室立式贮存试验实测了药柱立式贮存后的变形,实测结果与计算结果趋势一致。     

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。     

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。     

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。     

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。     

固体发动机人工脱粘的二维实验与数值模拟

针对固体火箭发动机前封头人工脱粘缝隙,设计了二维实验装置,用来模拟发动机点火过程中前封头人工脱粘位置受到点火冲击后的应力-应变情况.同时,采用流固耦合的数值方法,对比计算了实验工况,计算得到人工脱粘根部的应力-应变与实验吻合很好.通过数值研究发现,点火初期燃气对人工脱粘部位的冲击,会引起缝隙内部的压强振荡及装药表面的振...     

嵌金属丝双燃速药柱沸腾高度及典型脱粘对发动机性能的影响

为了获得嵌金属丝双燃速药柱沸腾高度及典型脱粘对发动机性能的影响,开展了药柱不同沸腾高度及典型脱粘对发动机推力变化计算。分析结果表明,在嵌金属丝情况下,沸腾高度影响着二级推进剂参与燃烧的时刻及过渡段内弹道性能变化。包覆层与药柱出现脱粘时发动机推力会出现异常,通过对试验数据进行反算验证,认为脱粘是导致推力突变的主要原因。该分析能为同类型发动机设计提供一定参考。     

点火建压过程对药柱结构完整性影响试验研究

针对发动机点火建压过程中药柱损伤的问题,建立了一种用于模拟发动机点火瞬态的快速充压系统。该系统通过并联多个快速电磁阀实现气体通道的瞬间打开,选用节流控制阀实现建压时间的调节,在较短时间内使得高压气源与试验发动机气压平衡,实现对发动机点火建压过程的模拟。针对某发动机进行了不同充压速度的试验,获得了对应充气速度下的试验数据和药柱CT照片。结果表明,在试验发动机自由容积和节流孔径不变的情况下,系统建压时间与目标压强无关;建压后压强曲线存在震荡段、平衡段、下降段;系统建压过程中,气流的温度会迅速上升,最高实测温度为205℃;不同充压速度会引起不同程度的药柱损伤。该快速充压试验系统及方法对于药柱损伤评价、固体火箭发动机故障分析和药柱结构完整性研究具有重要意义。     

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。