基于ABAQUS的固体火箭发动机复合材料壳体快速化建模方法及验证分析

提出了一种基于ABAQUS的固体火箭发动机复合材料壳体快速化建模方法。通过编写PYTHON脚本程序,实现将缠绕软件生成的信息文件进行数据处理,导入ABAQUS中参数化生成有限元模型的建模功能。通过数值分析中的B样条函数法对缠绕软件导出的波动数据进行光滑处理,并分析其在压力载荷工况下的力学性能变化。使用干法预浸带缠绕壳体,通过水压爆破实验结果与有限元结果进行对比,验证建模方法的准确性。结果表明,快速化建模方法建立的壳体有限元模型在压强为26.02 MPa时发生了失效,水压爆破实验中内压达到27 MPa时壳体失效,有限元模型的位移和失效形式等均能与实验结果吻合较好。基于ABAQUS的固体火箭发动机复合材料壳体快速化建模方法能较准确地对壳体的实际工作情况进行预测。     

固体火箭发动机复合材料壳体特征系数研究

采用多项式拟合算法解析封头外型面曲线方程,实现了封头质量的精确求解,获得了复合材料壳体各结构参数与特征系数间的耦合关联解析式。基于理论表达式,系统研究了长径比、开口比等结构参数对特征系数的影响作用规律。结果表明,壳体特性系数不仅与壳体基础材料性能及工艺特性有关,还与封头结构形式、长径比等结构参数有关。长径比对壳体特征系数影响显著,工程应用中的绝大多数壳体,长径比位于特征系数显著变化区间,壳体特征系数受封头结构参数的影响较大。实际应用中,如用特征系数评估纤维性能及工艺水平,应固化壳体结构参数。构造了复合材料壳体缠绕性能表征修正系数,通过该系数可实现对不同纤维材料、不同结构壳体综合缠绕性能优劣的同台评估。     

固体火箭发动机壳体接头形式

固体火箭发动机壳体既是推进剂贮箱又是燃烧室,同时还是火箭或导弹的弹体,是构成发动机质量的最主要部分,对发动机性能影响极大。发动机壳体材料大体经历了四代发展过程,第一代为高强度金属材料(超高强度钢、钛合金等);第二代为玻璃纤维复合材料;第三代为有机芳纶复合材料;第四代为高强中模碳纤维复合材料。目前,大多数固体发动机壳体都采用复合材料结构,如欧空局2012年发射成功的织女星以及日本在     

基于ANSYS的气体发生器处于非稳态下的温度与应力

气体发生器在工作期间持续处于高温高压状态,其钛合金壳体受力包括了由温度引起的热应力和承受气体压强的应力两部分,这对发生器壳体的强度提出了一定要求。基于此,使用有限元分析软件ANSYS对某气体发生器处于高温高压下的应力进行了仿真计算和分析,结果表明:(1)在发生器工作前期,温度载荷所占比例较低,可忽略不计;在其工作后期,热应力则保持平稳,此时温度载荷的作用需要重点考虑;(2)发生器壳体的最大应力值出现的时间与所施加的压强载荷达到最大值的时间是一致的,均为35 s;(3)气体发生器在温度和压强共同作用下的最大应力值处于发生器颈部圆弧与凸台的倒角处,此处最易遭到破坏。仿真分析结果可为气体发生器的设计提供理论指导和优化设计依据。     

应变率对复合材料壳体外压性能的影响

对Φ200 mm的复合材料壳体的应变率相关性进行了试验研究。分别对准静态和应变率约为0.105 s-1的动态情况进行了试验。在动态加载过程中,采用了航天四院设计的脉冲压力发生器和外压试验装置,该装置可在10～200 ms将结构件加载至破坏。试验结果表明:复合材料壳体具有比较明显的应变率相关性,与准静态加载条件相比,当应变率达到0.105 s-1时,Φ200 mm的复合材料壳体其外压承载能力可以提高1.55倍左右。     

玻璃钢复合材料壳体机加工研究

根据某导弹玻璃钢壳体的结构特点和材料特性，分析了影响工件机加工的主要因素。提出在精细加工中采用聚晶金刚石刀具，选择合理的刀具几何参数；设计专用夹具提高定位精度；通过自然时效释放粗加工应力，提高零件形位公差精度；采用以磨代钻、代铣等工艺措施，提高材料的机加工精度，并解决了玻璃纤维分层和撕裂等问题。     

纤维缠绕圆筒压力容器结构分析

对具有内衬的纤维缠绕圆筒压力容器进行了结构分析。将内衬作为各向同性材料,纤维缠绕圆筒作为正交异性材料处理。在内压作用下,得到了内衬和纤维缠绕圆筒的弹性应力和应变。讨论了内衬和纤维缠绕圆筒材料选取和结构设计准则,即应选取弹性模量很低,强度较高和塑性良好的材料作内衬;选取模量和强度都较高的纤维缠绕圆筒;内衬壁厚应尽可能薄,且与纤维缠绕圆筒粘接牢固。算例表明,弹性应力分析结果与测试值符合良好。     

树脂含量对芳纶纤维/环氧复合材料性能的影响

研究了树脂含量对芳纶纤维／环氧复合材料的性能的影响，主要是浸胶纤维强度，压力容器中纤维强度的发挥系数，容器特性系数pV/Wc。给出了按混合定律计算复合材料强度的修正系数，提出了对容器进行表面处理以改善其内外层含胶量的均匀度，并进行了实验，实验证明，容器内外层树脂含量分布更为均匀，容器的性能得到提高。     

战术导弹固体发动机的关键技术问题

讨论了战术导弹固体发动机在高能推进剂、碳纤维壳体、轻质小力矩柔性喷管和双脉冲发动机等关键技术方面取得的进展。其中，HTPB推进剂的性能达到比较完善的水平，已用于各类战术导弹。高能、低特征信号GAP推进剂通过了实验发动机试验。碳纤维壳体达到了实用水平。发动机能量管理和向量控制技术的研制与开发工作正在开展之中。