后摆心潜入式喷管柔性接头力学特性数值仿真

针对后摆心潜入式喷管柔性接头在燃气压力与摆动联合载荷下,弹性件与增强件的力学特性计算问题,建立了对称刚体-柔性体结合的几何模型;采用了有限元方法,获取了柔性接头在燃气压力、摆动载荷及联合载荷下应力、弹性比力矩分布规律。研究表明:随着燃气压力增大,弹性比力矩降低;随摆角增大,弹性比力矩增大。文中的数值仿真方法,可以应用于柔性接头力学特性的计算,为柔性接头强度的安全性评估提供指导。

基于真实细观形貌的固体推进剂力学性能虚单元预示方法

真实的细观形貌是进行固体推进剂细观力学性能预示的基础。通过CT扫描图片处理获得了固体推进剂真实的细观几何形貌及各组分参数,并生成了固体推进剂颗粒填充模型;采用多边形网格剖分方案,减少使用常规单元时各组分颗粒尺度差异带来的低质量网格影响;通过对单元和节点的后处理,设计了应对真实细观形貌的周期边界条件处理方案;引入虚单元法(VEM)开展固体推进剂细观力学性能预示,设计含夹杂算例,验证了VEM以及周期边界条件处理方案的可行性和准确性;利用内聚力单元模拟基体与颗粒间的“脱湿”效应,对真实细观模型以及颗粒填充模型开展了等效松弛模量测试。仿真结果表明,真实细观模型中不规则的颗粒几何形状会抑制“脱湿”现象的发生,其表现出的等效松弛模量较颗粒填充模型大。此外,两类模型预示的松弛模量最大相对误差为13.1%,这表明在固体推进剂配方设计中颗粒填充模型可以替代真实的几何模型进行固体推进剂等效力学性能的预示。结合VEM在应对固体推进剂各组分几何尺度差异以及周期性边界条件设计方面的优势,可进一步利用VEM开展三维固体推进剂力学性能的预示。

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。

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。

三维药柱的热粘弹性有限元分析

采用三维模型,用有限元法分析固体火箭发动机的药柱在硫化降温、内压和轴向过载作用下的热粘弹性准静态响应,为实际结构设计提供参考。

含缺陷固体装药燃烧异常实验分析

利用高速实时Ｘ射线荧屏分析技术，对固体火箭发动机装药经常出现的主要缺陷导致的异常燃烧现象进行研究，提出了含不同类型缺陷装药结构破坏的条件和模式，描述了推进剂裂纹、气孔和脱粘槽穴内的点火、燃烧和结构变形现象，分析了双基、丁羟、ＮＥＰＥ推进剂裂纹进一步扩展趋势和临界条件，为评估固体发动机含缺陷装药燃烧安全性提供了实验依据和分析方法。

装药燃烧增压过程中脱粘扩展条件实验分析

研究了在高增压燃烧条件下固体推进剂／绝热层界面脱粘进一步扩展的诱导因素，获得了脱粘传播速度与燃烧室点火压强梯度之间的经验关系及临界压强梯度，提出了三种脱粘扩展模式。研究表明，当脱粘槽较窄并且点火增压梯度较大时，脱粘前沿扩展较快。这种由点火冲击和燃烧诱导的壳体结构变形及裂纹扩展现象是固体发动机在点火起动时发生爆炸事故的主要原因之一。

炮射导弹发射过程中装药衬垫材料对抗过载能力的影响计算分析

采用基于Total Lagrangian方法的3维粘弹性大变形增量本构关系,用有限元方法对某轴向高过载下的固体火箭发动机装药在发射过程中的应力进行了数值模拟计算。分析了装药底面的衬垫材料、衬垫厚度以及载荷持续时间对装药内部等效应力的影响。结果表明:随着衬垫材料泊松比的提高,装药内部等效应力有下降趋势;泊松比小于0.49时,装药内部等效应力随弹性模量增加略有增加,泊松比0.49时,装药内部等效应力随弹性模量增加先下降后上升趋势;随着衬垫厚度的增加,装药内部最大应力值呈现下降趋势;载荷达到稳定后,载荷持续时间长短对装药内部等效应力影响并不明显。

PWM高速开关阀动态调节特性仿真研究

针对某型号发动机燃油调节器的脉宽调制(PWM)高速开关阀,通过建立高速开关阀系统动态数学模型,开展了高速开关阀调节工作过程动态压力与流量特性的仿真研究。对影响开关阀动态输出特性的相关因素进行了比较分析,结果表明:阀座通径、驱动频率与容腔体积等是影响高速开关阀动态性能的主要因素,并提出相应的改进措施。为改善高速开关阀动态调节特性、提高作动控制系统的控制精度与性能提供参考与借鉴。

低温环境下固体火箭发动机药柱伞盘结构设计

为提高固体火箭发动机伞盘药型药柱的低温力学性能,可通过调整伞盘药型来缓解其应力应变集中水平。以某固体火箭发动机药柱前伞盘为例,应用三维粘弹性有限元分析方法,分析不同前伞盘药型结构发动机的低温应变场,得到药柱前伞盘最大VonMises应变随伞盘药型结构变化的规律,结果表明药柱伞盘宽度的变化对伞盘顶部应力应变集中的影响最大。再综合考虑内弹道性能和浇铸工艺的要求可确定药柱前伞盘的最佳结构。该方法可为固体火箭发动机药型设计提供定量参考。

GAP接枝海因与推进剂组分相互作用的分子模拟

为了研究GAP推进剂新型键合剂与固体填料相互作用的程度和实质,针对聚叠氮缩水甘油醚(GAP)和GAP与3-炔丙基-5,5-二甲基海因(PDMH)的反应产物(GAP_PDMH)分别与RDX,HMX,AP构成的模型体系,利用分子模拟软件Materials Studio,通过分子动力学模拟,计算了上述各个体系的相互作用能和径向分布函数。计算结果表明,上述体系中的相互作用属于范德华力和静电力等非价键作用,GAP_PDMH与RDX,HMX,AP之间的相互作用强于GAP与它们之间的相互作用,其主要原因是GAP_PDMH上新增的三唑基团、海因基团与RDX,HMX,AP上的原子之间存在较强的相互作用力。径向分布函数的结果证实了某些原子之间存在着较强的氢键作用,而另一些原子之间有较强的范德华作用。GAP_PDMH应用于GAP推进剂,实验结果显示抗拉强度和延伸率大幅度提高,证明上述分子模拟的结果正确,可以为GAP推进剂新型键合剂的研究提供参考。

炮射导弹发射过程发动机装药强度分析

为分析大过载下发动机装药的强度,采用基于Total Lagrangian方法的三维粘弹性大变形增量本构关系,用有限元方法对某轴向高过载下固体火箭发动机装药在发射过程中的应力应变场进行了数值模拟.结果表明,装药的最大等效Von Mises应力及应变值均发生在装药底部,根据最大变形能理论,最大等效应力及应变均不会引起装药结构破坏.装药与支撑面接触面积的变化,会引起装药最大等效应力和最大等效应变的变化.在装药内外两侧进行切削,会在相应位置引起应力集中.

长期自重载荷作用下固体发动机药柱的位移分析

为了分析固体发动机药柱在长期自重载荷作用下的位移水平,采用加速老化试验,得到该推进剂松弛模量随贮存时间的变化规律;考虑固体导弹发动机的实际贮存情况,探讨了有限元计算中处理发动机滚转的方法;应用三维粘弹性有限元分析方法,对贮存一定时间后的发动机进行了数值仿真,从中获得发动机药柱在长期自重载荷作用下的位移情况。计算结果表明,固体发动机每0.5 a定期翻转,蠕变基本回复到原来的3%以内,药柱的位移增加不大,说明贮存过程中每0.5 a翻转1次是一种好方法,可为固体发动机的设计和使用提供参考。

温度载荷下带筋套管形装药结构完整性分析

为了分析带筋套管形装药在低温多次出现点火爆炸的原因,基于Updated Lagrangian方法,推导了热粘弹性大变形增量本构关系。在分析瞬态温度场的基础上,进一步给出了热应力应变分布,指出了危险点位置。通过选取十二种热膨胀系数以及十四种肉厚系数,对推进剂药柱进行了结构完整性计算,得出热膨胀系数与最大等效应力应变成线性关系,而肉厚系数与最大等效应力应变之间成指数函数关系的结论。结果说明:肉厚系数的选择对固体火箭发动机装药保持结构完整性有重要影响。

温度载荷下装药内外径比和长径比对结构完整性影响的规律研究

在固体火箭发动机装药设计中通常将药柱的外径与内径之比定义为m数(m=R/r)为研究装药设计参数m数和药柱长径比在温度载荷下对装药结构完整性的影响,采用基于Total Lagrangian方法的热粘弹性大变形增量本构关系,通过选取9种m数以及8种药柱长径比,共72个计算模型,对装药结构完整性进行了计算,结果表明温度载荷下药柱最大Von Mises等效应力、应变值受药柱m数以及长径比共同影响.并得出当长径比大于3时,药柱最大等效应力、应变值主要取决于m数的结论.

粉末燃料高效装填技术研究

分析了理想球形颗粒的堆积规律,发现粉体空隙率与粒径大小无关,仅与排列方式有关;多级配混合粒径装填会减小粉体的空隙率,且级数越多,粉体空隙率越小;颗粒在紧密堆积状态下排列方式不唯一,是多种密排形式的组合。研究了非理想颗粒的堆积规律,发现实际粉体颗粒间的干扰和干涉作用对颗粒装填率影响较大,颗粒形貌越不规则,粉体的装填率越小;颗粒越细小,则吸附力越大,粉体的装填率越小。基于以上分析,提出了理想的最紧密装填理论,确定了在多级配装填料中颗粒级数、粒径比以及各级颗粒的含量比例。最后,提出了一种简单有效的粉末燃料高效装填方法,通过实验验证,此方法可将粉末燃料的松装密度提高近10%。

固体推进剂装药枪击试验数值模拟与试验

固体推进剂的枪击试验是评价固体推进剂及装药在受到枪击的情况下,是否发生燃烧、爆炸及爆轰等剧烈反应的重要试验方法。采用LS-Dyna有限元仿真软件研究了枪击试验推进剂的反应过程,并采用12.7 mm枪击试验验证了LS-Dyna的计算结果。结果表明,以点火增长模型、Johnson-Cook本构模型和Gruneisen状态方程分别赋予推进剂、子弹及推进剂壳体,计算结果表明,推进剂发生明显的燃烧反应,且推进剂燃烧在壳体内部产生的压力显著增大。采用12.7 mm枪击试验验证的试验结果表明,推进剂装药在12.7 mm子弹以约850 m/s速度撞击下,推进剂发生燃烧,此结果与模拟结果相一致。

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工况下的应力分析，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。

燃烧固体药柱内腔表面的典型裂纹及其力学行为

根据燃烧环境中高装填固体推进剂药柱内应力的分布特征，提出了药柱内腔表面的两种典型裂纹， 即横向表面裂纹和纵向表面裂纹， 并分别采用方坯药柱和圆盘药柱表面预制的裂纹进行了模拟。比较燃气作用下两种药柱的有限元分析结果， 明确了挤裂模式对于燃烧环境中固体药柱表面裂纹问题的适用性。这些结论与实验观测现象非常吻合， 对实际发动机工作环境中固体药柱表面裂纹的力学行为预示和故障分析有着重要的指导意义。

固体火箭发动机药柱不可压和近似不可压三维分析

基于不可压和近似不可压粘弹性有限元法,对固体火箭发动机药柱进行了三维分析。首先从Herrm ann泛函出发并结合对应原理,导出了适用于不可压和近似不可压粘弹性材料的本构关系,然后根据虚功原理,建立了三维问题的粘弹性增量有限元列式,最后对弹性约束的圆柱形中孔药柱进行了不可压和近似不可压分析。结果表明,该方法可用于泊松比接近甚至等于0.5的粘弹性问题计算,尤其适用于固体推进剂药柱的结构分析。