固体推进剂药柱局部夹杂应力场分析的边界元法

夹杂、孔隙、脱粘和裂纹是固体推进剂药柱常见的缺陷形式,为获得缺陷附近精确的应力、应变场,可靠评估固体火箭发动机药柱的结构完整性,给出了求解夹杂和孔隙局部应力场的边界元法以及粘弹性时域问题的边界元迭代算法。首先将固体颗粒和孔隙抽象为夹杂,则固体推进剂药柱的受力问题实质为多连通域粘弹性力学边值问题,但由于夹杂界面位移和面力同时未知而导致该问题不能定解,然后根据夹杂域的边界积分方程和材料的本构关系建立了夹杂与基体界面面力与位移的关联矩阵,并将其作为整个多连通域问题的定解条件,最终使问题定解。通过含单个圆形弹性夹杂平面应变问题和圆筒固体火箭发动机平面应变问题的经典算例验证了该方法的正确性,数值结果表明,边界元法在局部夹杂应力场分析中具有较大的优势和潜力。     

基于均匀化理论的4D轴编C/C复合材料的细观力学性能预测

为实现4D轴编C/C复合材料细观力学性能的预测,首先针对4D轴编C/C复合材料的结构特点,建立了其代表性体积单元;然后利用均匀化理论和周期性边界条件为理论基础,编写了一般周期性边界条件子程序作为位移边界条件,分析讨论了代表性体积单元的变形特征、应变分布特征,获得了等效刚度矩阵;同时与编写的周期性边界条件子程序作为位移边界条件情况下的计算结果和已有实验结果分别进行了对比。研究结果表明,随着界面强度的增加,一般周期性边界条件预测的材料力学性能相比周期性边界条件预测情况下的误差小,更接近实验数值,从而验证了编写的一般周期性边界条件子程序的有效性和正确性,并进一步得出了代表性体积单元参数对材料力学性能的影响规律,得到了一些有一定指导意义的结果。     

HTPB复合固体推进剂非线性本构研究

采用Ｓｃｈａｐｅｒｙ蠕变型非线性粘弹性本工用Ｍ－Ｃ方法,分析蠕变实验数据,研究了ＨＴＰＢ复合固体推进剂非线性本构关系。结果表明,该方法可以减少加卸载时数据波动的影响,降低参数拟合对实验条件的要求。Ｓｃｈａｐｅｒｙ非线性模型较好地反映了ＨＴＰＢ复合固体推进剂的力学性能,可以用于固体推进剂的力学分析。     

径厚比对锥柱形金属膜片屈曲和后屈曲状态的影响

通过有限元方法研究了半径及径厚比对锥柱形金属膜片翻转过程的影响,并选取典型的半径及径厚比样本点对分析结论进行了数值验证.研究结果表明:膜片半径太小或太大均表现出一定的尺寸效应,小半径膜片的尺寸效应更显著;半径为203~403mm的膜片其屈曲和后屈曲状态表现出明显的一致性;对于确定半径的膜片,径厚比太大,膜片承载能力太小而导致翻转效率较低,径厚比太小,膜片屈曲载荷呈指数级显著增加而不易翻转,径厚比为160~400的膜片其翻转效率较好,并且后屈曲状态表现出一致性;选取典型的样本点对结论进行了数值验证,一致性较好.      

膜片翻转过程中的偏心问题及改进方法

金属贮箱膜片翻转试验中出现的偏心问题,易造成气液掺混、推进剂泄露等严重后果.为解决膜片的偏心问题,数值计算膜片翻转过程,通过加入弹塑性本构模型引入了显著的数值偏心现象,膜片的最大偏心量约为60mm,且其偏心表现形式与试验中的偏心形式一致性好.提出了改变锥段高度与膜片厚度、环向加筋等方法解决偏心问题,得出了不同方法对数值偏心现象的改善结果.研究表明:增加膜片厚度改善偏心问题效果最好,但同时会显著提高膜片的屈曲载荷与结构质量;改变锥段高度方法次之,但最优锥段高度需根据膜片圆弧旋转段半径进行相应调整;环向加筋方法稍差,但通用性好,且不会显著提高结构质量.     

固体推进剂药浆流平性对发动机装药结构完整性的影响

为分析固体推进剂浇注质量对发动机装药结构完整性的影响,首先采用流平仪对推进剂药浆放置不同时间后的流平性进行了试验,然后通过单轴拉伸试验和微CT扫描试验对相应条件下推进剂的力学性能和孔隙率进行了研究,最后结合有限元计算方法对发动机装药的结构完整性进行了分析。结果表明,随着推进剂药浆放置时间的增加,推进剂流平性逐渐变差,药浆放置5 h后药面有条痕堆积现象,但推进剂的单轴拉伸力学性能差异并不大。通过微CT扫描试验发现,推进剂药浆放置时间由1 h增加到5 h,孔隙率由2.65‰增大至7.97‰,使得推进剂泊松比降低,导致发动机装药在低温点火压力载荷下的变形增大,安全欲度降低。     

HTPB与TDI固化的分子模拟研究

为了提供固化反应的微观信息,运用Materials Studio 4.2分子模拟软件,构建HTPB和TDI分子模型,对HTPB和TDI固化进行分子动力学(MD)和合成(Synthia)模拟。分析了固化体系的构型、键长、X-射线散射图谱和弹性模量,结果表明,氰酸酯基(—NCO)中的N C双键变单键和羟基O—H断开,形成新化学键(—HNCOO—)生成氨基甲酸酯;HT-PB与TDI是一个自发进行的固化反应;HTPB-TDI固化体系的力学性能得到了改善,为HTPB-TDI固化研究提供了一种切实可行的新方法。     

变权TOPSIS评价的导弹总体参数粒子群优化设计方法

为解决传统单目标优化方法难以满足导弹总体参数多目标优化的需求,以及多学科设计优化方法复杂而难于在导弹概念设计阶段使用的问题。提出了一种基于变权TOPSIS(逼近于理想排序)评价和粒子群算法融合的多属性综合优化设计方法。以标准粒子群优化算法为基础,运用变权综合原理构建变权状态变量,结合TOPSIS评价方法计算每组粒子(总体参数方案)的可行欧氏距离,以欧氏距离作为综合评价目标开展了导弹总体参数优化设计研究工作。经实例分析表明,基于变权TOPSIS的粒子群优化设计方法能够有效解决导弹概念设计阶段总体设计多参数、多属性综合优化问题,与传统设计方法相比,具有概念清晰、方法灵活、实现高效的优点。     

凝胶模拟液液滴碰撞的SPH数值仿真

雾化问题是凝胶推进技术研究的关键问题,雾化过程中不可避免地会出现液滴的碰撞。通过SPH方法对凝胶推进剂模拟液液滴的碰撞过程进行了数值模拟。针对气-液交界面处存在较大的密度、粘度梯度,对传统SPH方法做出改进。在此基础上,对空气中两个同尺寸的凝胶液滴碰撞过程进行了数值模拟,并与水滴的碰撞进行了对比,分析了凝胶推进剂的流变特性对于碰撞结果的影响。结果表明,凝胶液滴的碰撞动能在高粘度的作用下迅速耗散,液滴碰撞后,更易发生聚合,进一步增加了凝胶推进剂雾化的难度。     

大型火箭发动机喷管内流场数值分析

我对某大型火箭发动机的喷管的喷管结构，采用显式的TVD Mac-Cormack格式，结合两方程k- ε紊流模型求解喷管内流场的二维轴对称N－S方程，获得详细的喷管内流场结构分布，其结果同理论分析的结果非常相似，从验证了用数值模拟方法取代部分实际试验的可行性及可信性。