基于分数阶三参数模型的HTPB推进剂粘弹性力学响应分析

为拓展分数阶粘弹性模型在端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂中的应用,研究分数阶粘弹性模型预示推进剂频域下的动态模量变化。推导了三维下的分数阶三参数模型,并结合Grünwald-Letnikov定义编写UMAT子程序。为标定本构参数,推导了带有预加载的蠕变、松弛响应的解析解,并采用遗传算法分别标定了0.4 MPa和0.6 MPa应力下蠕变实验以及10%和30%应变下松弛实验的本构参数。计算得到的有限元数值与解析解、解析解与实验值的时程相对误差均小于5%。采用分数阶三参数模型动态模量对-5、25、60℃下的动态力学实验(DMA)结果进行拟合得到本构参数,动态模量与实验结果误差小于2%,同时随着温度升高,本构参数均减小,体现出HTPB推进剂升温软化现象。结果表明,分数阶三参数模型能精确地描述不同温度下多种频率的HTPB推进剂模量变化,结合二次开发本构,可为后续HTPB推进剂复杂边界下的力学响应的研究提供材料本构模型。

基于分数阶黏弹性模型的HTPB推进剂残余应力演化过程研究

基于Grünwald-Letnikov离散格式,构建了基于ABAQUS二次开发的分数阶Kelvin模型材料本构。推导了三维下接近真实松弛实验边界条件的解析解公式,采用遗传算法对本构参数进行了精确辨识(相对误差小于6%)。通过单向拉伸松弛实验有限元模型计算验证了有限元计算结果收敛于解析解(相对误差小于3%)。最后采用松弛实验标定得到的本构参数,对HTPB推进剂固化降温过程及固化降温后残余应力松弛过程(10 h)进行了有限元计算。结果表明,固化降温后初期应力集中出现在中孔及人工脱粘层与药柱的分离处。随着松弛演化过程,药柱内部残余应力均下降,中孔及分离区处残余应力仍然显著大于其他区域,但中孔处应力梯度相对较小,分离处应力梯度显著大于其他区域。

微射流作动器出囗流场数值分析

本文简要介绍了微射流作动器的工作原理及结构形状 ,应用涡量 流函数法对二维、粘性、非定常、不可压微射流流场进行了数值分析。针对微射流形成的特点 ,构造了一种微射流作动器出囗处周期性变化的吸 /排气速度边界条件。计算结果与已有的实验和理论分析结果进行了比较 ,证明了该方法的可行性。数值分析结果表明虽然微射流的净质量流率为零 ,但其动量流率却不为零 ;由于微射流作动器出口处速度的交替变化 。

双微射流合成流场数值分析

采用标准的 SIMPLEC方法 ,对基于二维、非定常、不可压缩、粘性计算模型的双微射流相互作用形成的合成流场进行了数值分析。计算结果说明 ,在一定的斯特劳哈尔数和雷诺数下、与单作动器形成的流场不同 ,双微射流合成流场受双作动器工作时的相位差影响。存在相位差时 ,合成流场不再呈对称分布 。

一种延伸喷管展开特性分析

针对铰链可抛式延伸喷管，运用刚体平面运动微分方程，建立了描述其展开机构动作及延伸锥展开过程的数学模型，通过求解数学模型，得到了单级可抛式延伸喷管的延伸锥展开到位时间、任意时刻展开机构的质心速度和加速度、转动角速度和角加速度、各构件之间的相互作用力和支座反力等参数的数值解。

微射流技术的原理及其应用

介绍了微射流技术的原理及其初步应用。基于非线性系统的演化对初始条件具有敏感依赖性这个事实发展起来的微射流技术 ,由于与常规持续喷射射流控制方式相比具有许多优点 ,因而在流动和换热控制应用方面取得明显的效果。并指出 ,随着研究工作的深入 ,该项技术还可望用于高马赫数飞行体表面气体流动控制、火箭发动机推力方向控制等。

电缆支座承受径向载荷时的弹塑性分析

采用ANSYS软件对发动机电缆支座几种不同结构方案及其承载能力进行了三维有限元分析。考虑了材料的非线性弹塑性行为,计算给出了电缆支座承载能力,与试验结果比较吻合。

微射流作动器参数分析

使用集总参数法 ,建立了描述微射流作动器工作过程的数学模型。计算结果显示 ,对于给定的驱动模式 ,作动器各工作参数基本上随驱动频率同步发展。另外存在着最佳的驱动电压频率和开口大小 。

复合固体推进剂拉伸/压缩性能对比研究(英文)

为了获得药柱受压状态的模量参数,开展了推进剂压缩性能的探索测试。参照拉伸标准试件,进行了压缩试件尺寸的设计与调试,通过不同高度试件的测试结果及破坏形貌分析,确定了试件尺寸。在此基础上进行了不同应变下的推进剂拉/压对比测试。相同应变率下,压缩模量较拉伸模量高,压缩模量随压缩速度的变化规律与拉伸模量一致,随着速度的提高,模量随之提高。

弯曲载荷作用下固体火箭发动机裙端连接螺孔受力分析

利用细长梁弯曲平面理论,推导了弯曲载荷作用下固体火箭发动机受拉侧拉力总和的计算公式。在此基础上,根据单个螺栓连接结构拉伸试验数据和法兰上各连接点之间的变形谐调关系,推导了给定弯曲载荷下单点拉力计算公式。根据该方法可计算非均匀分布情况下单个螺栓连接点的受力。算例对公式的正确性进行了间接验证。

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。

微射流流场原理性实验研究

用蜂鸣器代替微作动器在水中对微射流的形成及发展进行了定性实验。高速摄像系统显示了微射流的形成及发展。实验结果表明对于结构确定的蜂鸣器 ,存在唯一的最佳工作频率 ,使得射流能量水平最高。蜂鸣器驱动信号波形对射流效果也有影响。速度变化因子越大的波形 ,生成的旋涡能量越高 。

药柱对燃烧室外压失稳载荷的影响

通过外压屈曲计算及外压试验研究了某固体火箭发动机壳体与燃烧室的外压稳定性。外压屈曲计算得到了壳体、燃烧室的外压屈曲载荷、屈曲失稳波形以及径向位移(环向应变)随外压载荷的变化规律。对比壳体与燃烧室的计算结果发现,燃烧室径向位移(环向应变)-载荷曲线上拐点处对应的外压载荷相对壳体明显偏高,说明药柱对燃烧室外压承载能力贡献较大。对不同推进剂松弛模量的计算表明,推进剂松弛模量与燃烧室外压承载能力呈正相关。壳体、燃烧室外压试验所得失稳波形以及药柱对燃烧室外压承载能力的影响规律与计算结果吻合较好。

外压载荷分布形式对固体火箭发动机结构稳定性的影响

应用有限元软件开展了燃烧室全筒段均压、全筒段分布式外压、局部均压三种状态外压稳定性分析,得到了三种状态的失稳载荷和屈曲波形,为不同载荷分布的外压试验方案的制定提供理论基础。分析表明:三种状态中全筒段均压状态的失稳载荷最低,三种状态的屈曲波发生部位也不一样。全筒段均压状态的外压试验结果不能代表分布式或局部外压下的承载能力,不同外压载荷的分布形式应采取不同的载荷验证试验方案。

QFD技术在固体火箭发动机设计中的应用

为实现面向产品全生命周期的设计质量控制,有效支持面向产品全生命周期设计开发,采用QFD技术建立了固体火箭发动机的设计质量控制方法,该方法可以有效建立和确定产品总体设计方案,使固体火箭发动机产品能真正地满足用户需求,提高产品的可靠性和适应性,减少后期设计更改,缩短研发周期,最终提高产品市场竞争力。

固体火箭发动机燃烧室外压稳定性

应用有限元软件开展了燃烧室外压稳定计算,以壳体表面环向应变为判据,从环向应变-载荷曲线保守估算了燃烧室外压失稳载荷。为了验证有限元计算模型,通过假药配方的调试,研制外压试验用模拟燃烧室,开展全尺寸模拟燃烧室外压试验,得到了燃烧室失稳载荷。通过计算与试验结果的比较分析,为有限元模型的修正提供了基础,采用推进剂的压缩模量进行燃烧室外压稳定性计算更接近实际情况。

模拟壳体/燃烧室外压承载能力研究

为了研究固体火箭发动机的外压承载能力,了解药柱对燃烧室外压承载能力的贡献,文章对设计的模拟壳体和燃烧室进行了外压极限试验,得到了临界外压屈曲载荷。同时采用有限元软件进行了模拟壳体/燃烧室的外压稳定计算,计算结果与试验结果吻合较好。试验和计算结果都表明:虽然推进剂药柱模量较低,但其对燃烧室外压承载能力贡献较大。在固体发动机外压工况下的设计中,外压载荷指标不能仅分配给壳体,还需要综合考虑壳体与药柱的承载能力。

弹簧锁片受力分析

采用弹性力学的分析方法，针对弹簧锁片这个延伸喷管的关键部分，建立了薄板的小挠度弯曲模型和单向压缩模型，对其在发动机工作过程中的受力状态进行了计算分析，从而对锁片设计提供了理论参考依据。

大型固体发动机燃烧室立式贮存研究

为研究大型固体发动机对特殊立式贮存环境的适应性,开展了大型固体发动机立式贮存状态的受力分析以及立式贮存试验研究。基于大型固体发动机立式贮存环境条件的分析,综合考虑固化降温、充气内压等因素对发动机立式贮存的影响,开展了联合载荷作用下的计算分析。研究结果表明,发动机立式贮存状态相对初始状态前、后人工脱粘间隙都增大,前人工脱粘间隙增大较多,前人工脱粘开口部位轴向位移最大,中孔径向位移最大;发动机充气后药柱的变形量、前后凸环形药柱界面及药柱中孔处等效应力应变随内压提高有所提高,但前后凸环形药柱界面和药柱中孔处受力状态从三向或两向受拉变为三向受压状态,设计合适的充气内压有利于发动机的长期立式存放。燃烧室立式贮存试验实测了药柱立式贮存后的变形,实测结果与计算结果趋势一致。