非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示是固体火箭发动机设计的核心问题。建立非均匀装药燃烧的燃面退移数学模型,提出一种采用有限元法通过求解泊松方程逼近程函方程黏滞解的新方法(PEF)。所提方法可将燃面退移问题转化为特殊的稳态热传导问题,实现对几何形状不规则且燃速分布复杂的三维装药燃面退移的计算。考虑燃烧室压力变化等实际因素,在平衡压力假设下,形成了内弹道性能预示的4种计算模型。完成了二维星型装药、三维翼柱型装药和含金属丝的双推进剂装药的计算。计算结果表明:所提方法不仅可以高精度地适应多种推进剂构成的复杂交界面,而且可以直接在商业有限元软件的稳态热传导模块上应用和求解,充分利用商业有限元软件成熟的计算机辅助设计(CAD)建模、前处理、后处理及二次开发能力,实现了复杂燃面退移与内弹道性能预示方法的通用化和实用化。

基于AICS的固体火箭发动机性能和结构方案设计

在多变复杂的工程实践场景中,为了能灵活、高效地完成固体火箭发动机性能和结构方案设计任务,文中基于算法集成基础软件平台——算法集成与协作系统(AICS)来构建固体火箭发动机性能和结构方案设计软件系统。首先,分析当前设计软件存在的问题;其次,讨论AICS的算法集成原理和算法模块库;然后,基于AICS构造固体火箭发动机性能和结构方案设计软件系统;最后,将该软件系统应用于某小型战术导弹发动机的性能和结构方案设计中。应用结果表明,基于AICS的固体火箭发动机性能和结构方案设计软件系统不但能充分满足工程设计计算任务对算法重用性的要求,有效地避免"信息孤岛"问题,还能很好地满足设计任务的复杂多变性对算法集成所要求的灵活性、适应性和易定制性,从而有效地提高设计人员的工作效率、工作质量、甚至设计水平。

基于算法组件动态组合的固体火箭发动机计算机辅助设计/计算机仿真(SRMCAD/CS)

提出了一种新的软件模型根据发动机设计人员的设计/仿真任务动态地组合算法组件得到所需的设计/仿真算法,模型可以灵活地胜任发动机设计领域变化多样的设计/仿真计算任务,并且可以使整个软件系统具有很好的扩展性.该研究意图在于创建一个规范、开放的算法组件接口体系,在此基础上建立一个可重用、可扩展的算法组件库和一个算法组件动态组合机制,从而将设计人员编制设计/仿真算法的任务转变成利用已有算法组件动态地组合出所需的设计/仿真算法.该模型让设计人员在设计/仿真工作中重用算法组件库中已有的算法成果,同时又保持了设计人员的自主性,使设计人员的工作变得更加容易和高效.

基于蚁群算法的固体火箭发动机总体参数优化

为建立一种支持连续域、离散域混合变量的优化算法以用于固体火箭发动机总体参数优化,改进了基本蚁群算法,融入"网格划分"、"哑元化"和"变尺度局部搜索"三种策略,以改进算法的寻优性能和使用范围,其中局部搜索算法仍采用蚁群算法。使用了几个较具欺骗性的经典测试函数对改进蚁群算法进行了测试,计算结果表明改进蚁群算法找到全局最优值的概率较大。应用改进蚁群算法对固体火箭发动机总体设计中的两个重要总体参数——燃烧室工作压强和喷管面积比,进行了优化求解,获得了满意结果。诸算例的优化结果表明,该改进蚁群算法具有支持混合变量,全局寻优性能稳定和搜索精度高的优点,对工程优化设计问题具有较好的寻优性能和更强的适用性。

新的适于计算机辅助工程的算法集成模型

为解决计算机辅助工程中"以算法为核心"类软件系统在算法集成方面存在的重要问题,以火箭发动机设计这个较具代表性的特例为切入点,深入分析工程实践中算法的运用特点,并指出现有软件系统的不足.提出2种算法模式,基于这2种算法模式建立一种新的算法集成模型——轮循与层次化算法集成模型,其具有松耦合、层次化、灵活等特点,基于该模型可建立一个跨领域、通用、高效的算法集成软件环境.

固体火箭发动机总体设计集成系统的研究与开发

固体火箭发动机性能与结构方案总体设计是发动机设计工作的第一步,对发动机研制的技术路线有深远影响。为了解决现有集成设计系统“软件功能难定制、算法模块少协作、数据结构扁平化”三大问题,本文使用算法模块动态组合思想设计开放的算法模块接口规范体系,在此基础上,以“功能解耦,模块独立,算法重用”为原则,根据固体火箭发动机设计理论,开发包括热力计算、总体参数优化、设计指标分配、装药设计在内的30个算法模块和2个对外接口。使用并行轮循计算方法实现算法模块的集成与协作,在算法模块并行解耦的基础上显著提高了计算速度。并基于算法层、应用层、用户界面层和表现层的四层系统架构开发出适于工程应用的集成设计软件系统SRM-PASCOD。使用该系统复现“长征一号”第三级FG-02固体火箭发动机的设计过程,梳理出含有四百余条数据的全系统数据字典。将设计结果与实际对比,性能偏差和尺寸偏差在10%以内,满足工程需要。通过对算法模块的灵活组合,又完成了某战术导弹双推力长尾喷管发动机的设计,体现了软件的实用性、可定制性和可扩展性。本文建立的设计方法、开发的算法库和集成规范可以灵活支撑固体火箭发动机性能与结构方案总体设计,所形成的层次化的发动机数据字典为工程应用提供了数据支持。

氢氧发动机中激波与爆轰波热力参数计算分析

大扩张比氢氧发动机在地面试车时喷管中可能会出现激波,而在起动时刻燃烧室或燃气发生器中则很容易产生爆轰波,其对发动机的结构与工作状态会产生较大的影响。为准确地分析激波与爆轰波对氢氧发动机的影响,从热力参数层面进行计算分析,所有的计算都考虑热化学反应的影响。首先,在传统一维管流模型基础上引入化学平衡模型来计算和分析推进剂混合比和燃烧室压力对喷管扩张段中激波位置及热力参数影响的一般规律;然后,采用基于热化学平衡模型的C-J爆轰理论,计算和分析推进剂混合比、初温及初压对爆轰波的影响规律。计算分析表明:喷管扩张段中的激波位置与燃烧室压力呈线性关系,激波处的温度比相对于不考虑热化学反应时要低28%~38%,而压力比无明显区别,压力比与温度比在化学当量混合比时最小;爆轰波强度随着初压的升高、初温的降低而增强,在化学当量混合比时最强,初温30 K,初压1 MPa时爆轰压力最高可达220 MPa,温度可达4 500 K,波速超过3 000 m/s。得到的这两种波的规律和特点可以为发动机工程设计人员提供一定的参考。

基于Pro/E的参数化驱动固体发动机模装设计

为实现参数化驱动的固体火箭发动机结构设计、零件装配及其与平行层燃面退移的一体化集成,以Pro/E族表技术为核心,利用WinForm框架和XML等技术,提出了实现固体火箭发动机结构参数化模装设计和整机自动化装配的技术途径,实现了发动机各零部件三维模型的参数化驱动及发动机整机的自动化装配,实现了复杂三维药柱退移过程中的拓扑结构变化。该研究开发完成固体火箭发动机结构参数化模装设计软件系统,系统中包含29个发动机零件,通过灵活设定结构参数,可自动化构建多达720种不同结构形式的发动机结构实体模型,实现平行层燃面退移,得到发动机工作过程中的动态结构质量特性,同时计算出发动机的内弹道性能,并且具有可扩展性。该技术能够为进一步研究固体火箭发动机的设计、仿真、优化的一体化系统奠定基础。

固体火箭发动机三维装药的逆向设计与形状优化

固体火箭发动机装药逆向设计是指寻求最优的装药形状以匹配给定的内弹道性能曲线,可用于指导新型装药的设计。装药逆向设计正从尺寸优化阶段迈向形状优化与拓扑优化阶段。形状优化问题往往自由度大且高度非线性,这就对燃面退移的计算效率提出了极高的要求,而现有的椭圆算法难以满足需要。为此有必要开发燃面退移的高效椭圆算法,并将其应用于三维装药的逆向设计。首先,将程函方程线性化,推导出亥姆霍兹方程和泊松方程,形成了一系列求解燃面退移的快速热传导(Fast Heat Conduction,FHC)方法。其中f-FHC方法采用空腔体积分数分布来描述不规则装药,使用LDL分解法求解线性方程组,实现了“一次分解,处处回代”,显著提高了计算效率。然后,系统地分析了三维装药逆向设计的关键问题,包括目标函数的选取、待优化自变量的取值范围、孤立孔洞识别、浇铸工艺性要求等。运用进化神经网络方法开发了装药逆向智能设计(Grain Reverse and Intelligent Design,GRID)系统。计算结果表明,fFHC方法可以将三维装药燃面退移的计算时间缩短至1 s以内。以双推力装药的燃面变化规律或内弹道性能曲线为目标,GRID系统成功设计出含有复杂三维内孔的新型装药。所得装药符合浇铸工艺条件,芯模可采用3D打印工艺制造。所提出的算法和开发的软件系统可以为新型装药的设计提供支撑。