基于多层异质复合材料固化仿真模型构建的喷管扩张段结构参数设计

多层异质复合材料扩张段的铺层设计与固化制度是决定该产品结构可靠性的关键。针对多层异质复合材料喷管扩张段固化成型过程中易出现结构界面不稳定,甚至层间开裂等问题,建立了一套多层异质复合材料固化仿真模型,并通过与异质复合材料平板件的固化实验结果对比验证了该模型的准确性。基于该模型研究了某发动机喷管扩张段在不同结构参数设计下的温度场、固化度场与内应力场变化特性。结果表明,复合材料的种类与铺层角度会显著影响扩张段的内应力变化,随着最外侧碳纤维环氧树脂层的铺层角度由沿轴向的0°变化到沿环向的90°,该层的内应力呈先增加后降低的趋势,而中间层和底层未受外层铺层角度的影响,内应力与固化温度变化一致。扩张段的外轮廓平滑度会显著影响外层内应力的变化,细微的弯折会引起应力集中导致该处的内应力显著增大。

封头补强技术研究

研究了碳纤维／环氧复合材料φ１５０ｍｍ和φ４８０ｍｍ压力容器封头的局部补强方法和工艺，试验结果表明：φ４８０ｍｍ压力容器经在大金属件边缘补强后改变了水压爆破时金属件飞出的现象，纤维强度得以充分发挥而使筒身段纵环向同时破坏；φ１５０ｍｍ压力容器的应力平衡系数可由０．７５提高到０．８５以上，筒身段纵向纤维发挥强度由２０９０ＭＰａ提高到２３３６ＭＰａ，提高约１１．８％。由此可见，壳体铺层设计与封头补强巧妙地结合是壳体优化设计的重要方法，是充分发挥纵向纤维强度的有效措施。

固体火箭发动机壳体的随机有限元分析

利用二阶矩法推导出圆柱壳和椭球壳基于弹性失效设计准则的中径公式的可靠度指标计算公式,并将其应用于某型号固体火箭发动机壳体的算例中。同时,利用Ansys软件建立该固体火箭发动机壳体有限元模型,在确定性有限元分析的基础上,对其进行随机有限元分析,求出结构的可靠度。分析表明,以材料的力学性能参数、壳体的几何参数为随机变量的固体火箭发动机壳体的可靠性设计是科学和必要的。最后,对输出的功能函数进行灵敏度分析,为结构参数的优化设计提供参考。

混杂纤维复合材料壳体承外载试验

为了解决固体发动机承外载荷能力和质量系数的矛盾, 用F12纤维、S 2玻璃纤维及二者的混杂纤维缠绕成三种壳体试件, 对壳体试件分别进行了扭矩试验和轴压试验。通过试验获得了三种壳体试件的扭矩和轴压破坏形貌和破坏载荷, 并测得了相应质量。结果表明, 混杂纤维缠绕壳体能有效地使发动机承外载荷能力和质量系数得到协调。

凹回转曲面纤维缠绕架空分析及应用

针对诸如带喷管固体火箭发动机的凹曲面过渡段等负高斯曲率面的缠绕,应用微分几何曲面理论推导出了凹回转曲面的纤维缠绕架空条件及判据,并对不同的过渡段曲线进行了分析,分别给出了判别公式。通过缠绕实验验证了架空判据的正确性和实用性,表明采用单叶双曲面比采用凹圆曲线回转曲面具有更好的缠绕工艺性,且其直纹线的缠绕角恰好为不架空的临界缠绕角;缠绕时,为了保证运动的平稳性,需要剔除奇异点,进行平滑处理。

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。

纤维缠绕固体火箭发动机壳体爆破问题研究

本文采用大变形有限元方法进行纤维缠绕固体火箭发动机壳体的应力及爆破分析。采用最大应力强度准则进行单元失效判断，并引入合理的刚度衰退模型，从而较真实地模拟壳体的承载过程。在此基础上，重点讨论了材料性能、几休非线性对固体火箭发动机壳体封头部位相对承载能力的影响，特别是针对两个实际结构得出相反的影响结果，对结构的优化设计和实际应用的补强研究有指导意义。另外，从爆破的角度探讨了由模拟壳体外推真实固体火箭发动机壳体结构的合理性。

激光辐照充压壳体的破坏评价(Ⅱ)——局部热载作用下断裂参数的分布特性

在激光辐照充压壳体的破坏评价中,需确定断裂参数的分布类型及相关的分布参数。壳体材料的断裂韧性KIC是评估模型中对破坏结果有重要影响的断裂参量。因此,以壳体材料30CrMnSiNi2A的KIC为主要研究对象,利用数理统计的方法,对其相关分布特性进行了研究。首先,根据提供的样本,对于断裂参数的分布类型,利用Shapiro-Wilk W检验和正态概率纸检验,表明断裂参数的分布服从正态分布。其次,对于分布类型的数字特征,利用参数估计的方法给出了点估计结果,同时对估计精度及相关的最小样本容量进行了分析。这些问题为了解评估数据的可信程度提供了基础,同时也可为实验室数据处理提供了参考。

固体发动机壳体弹塑性问题的实验应力计算方法

根据弹塑性力学的基本理论,归纳出固体发动机壳体水压试验弹塑性问题的应力计算方法,并针对31Si2MnCrMoVE壳体材料编写了FORTRAN程序。该方法与有限元法的计算结果相比,误差不超过3.3%,验证了该方法的正确性。根据实际测得的3组试验数据,采用该方法计算出的结果和实际相符,进一步证明了其正确性。

碳纤维缠绕壳体后封头补强

对某种结构壳体进行有限元分析,得到一种"大范围判定方法",利用此方法得到的分析结果和壳体水压试验结果具有较高吻合度,可进行壳体补强及应力平衡系数研究,并可指导以后壳体理论分析。

SRM 纤维缠绕壳体的蒙特卡罗随机有限元分析

采用蒙特卡罗随机有限元方法，结合复合材料壳体力学、纤维缠绕理论等知识，分析了固体火箭发动机纤维缠绕壳体在燃气内压随机变化作用下的应力响应，绘出应力分布曲线，为固体火箭发动机结构可靠性评估奠定基础。

激光辐照充压壳体的破坏评价(Ⅰ)——破坏概率分析

对激光辐照充压壳体破坏(失效)的结果进行评价时,对有关物理参量的不确定性进行定量分析是必要的。以充压壳体破坏(失效)的断裂机理为基础,讨论了如何建立壳体结构破坏(失效)的评价方法,问题的核心是建立壳体结构破坏(失效)的概率模型。该模型中,将影响结构破坏的各个物理参量划分为驱动力和抗力两种类型,通过计算驱动力和抗力的均值和标准差,可得到结构的破坏概率。在此基础上,给出了数值算例,得到了不同加载条件下模型壳体的破坏概率。

具有衬里的纤维缠绕压力容器分析

给出了具有衬里的纤维缠绕压力容器纤维厚度的设计计算方法。当容器的结构一定时．给出了确定爆破压强的方法。

纤维缠绕气瓶设计分析

讨论了具有金属内衬的纤维缠绕气瓶在加压和卸压过程中的变形特性。依据网格理论,给出了纤维缠绕壳体的设计方法。对塑性性能良好的金属材料内衬,可用强度理论中的最大正应变准则进行强度设计。推导出气瓶卸压时内衬不失稳所应满足的条件。为使卸压时内衬不失稳,内衬与纤维缠绕壳体之间应有足够的粘接强度,而且内衬的壁厚应越薄越好。对壁厚较薄的内衬,给出了气瓶卸压时内衬不失稳的最小粘接强度的确定方法。算例表明,文中给出的设计分析方法,可用于具有金属内衬纤维缠绕气瓶的初步设计。

炭纤维壳体封头设计的几个问题

讨论了炭纤维壳体封头低压破坏的原因及3种破坏模式,即靠近赤道附近部位的封头发生断裂,极孔部位在环向应力作用下断裂和封头沿接头肩部外缘被剪(弯)断;得到了3种破坏模式的强度校核公式。给出了防止封头破坏宜采取的有效措施,对开孔很大的后封头,宜采取补强措施;给出了补强层厚度和补强范围的确定方法。

固体发动机复合材料壳体变形分析

用正交异性薄壳理论分析了复合材料壳体的变形,得到了内压作用下圆筒和封头的应变和位移表达式。结果表明,最大工作压强下圆筒的环向应变只与壳体的安全系数及材料的弹性常数有关,与最大工作压强无关。算例表明,计算值与测试结果吻合良好。

固体发动机燃烧室壳体／绝热层界面脱粘类型及解决的技术途径

界面粘接是固体发动机装药结构完整性的重要条件、通过对发动机燃烧室壳体／绝热层界面粘接进行的研究，指出燃烧室在绝热层整体粘贴中常见的四种脱粘类型。对各类脱粘原因通过抽样色谱分析、无损检测或解剖作了验证，提出解决脱粘问题的具体技术途径。研究结果表明，这些技术措施在发动机装药研制中取得较好的效果。

基于概率论与可信性理论的不确定性设计方法

综合应用概率论和可信性理论对随机和可认知混合不确定性参数进行建模,提出了基于概率论和可信性理论的不确定性设计方法。以固体火箭发动机燃烧室壳体不确定性设计为算例,验证了该不确定性设计方法的可行性。实际工程应用中,采用近似方法生成近似模型,将计算复杂的系统响应模型替换为计算简单的近似模型,可大大提高该方法的效率。

纤维缠绕圆锥壳体设计分析

以纤维缠绕结构的网格理论为基础,建立了纤维缠绕圆锥壳体在内压作用下的平衡方程。求解该方程,得到了纤维应力、纤维厚度和均衡缠绕角的解析解。对螺旋加环向缠绕,从圆锥大端到小端,纤维厚度和均衡缠绕角逐渐增大,纤维应力逐渐减小。利用最大应力强度准则,得到了单一螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕圆锥壳体爆破压强的计算公式。为了使计算的爆破压强与实际结果相符合,纤维发挥强度的选取必须由模拟实验确定。

减小固体火箭外壳板滚弯直线度误差的研究

如何减小固体火箭外壳板滚弯直线度误差是目前火箭生产工艺中的难题,在对最不利实际工况下三轴辊弯板机中心辊进给量沿自身轴线分布规律作系统的分析、计算及研究的基础上,推导出一项箭壳板滚弯直线度误差不等式,并针对此项不等式各参数变化规律,提出几项减小箭壳板滚弯直线度误差的行之有效的措施,可供火箭外壳设计及生产工艺人员参考。