固体火箭发动机延伸喷管展开动力学分析

为获得延伸喷管展开特性参数,根据实际测得的延伸锥展开各种摩擦阻力之和,利用分析力学及数值分析有关理论对延伸喷管进行展开动力学分析与计算。计算得到的展开位移和试验测得的展开位移曲线吻合,展开时间和试验值相比误差仅为4.7%。分析计算对延伸喷管技术研究具有重要参考价值,为延伸喷管展开机构的改进提供了重要的理论依据。

ANSYS刚-柔混合法在柔性接头结构分析中的应用

针对类似固体火箭发动机喷管柔性接头多层、薄壁钢-橡胶复合结构在进行仿真分析时,有限元模型单元、节点数多,收敛困难的问题,采用ANSYS刚-柔混合法,对柔性接头结构进行研究。结果表明,在同等约束与边界条件,采用刚-柔混合模型,计算得到的位移和约束反力(矩)和试验结果相比,误差很小(在5%以内)。该方法用于柔性接头结构分析,可快速获得柔性接头在外载作用下的位移、应力及摆动力矩等,为柔性接头设计与分析提供参考。

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。

固体火箭发动机壳体后封头屈曲分析(英文)

用ANSYS软件对固体发动机壳体后封头进行了外压屈曲分析。结果表明,在可承受相同内压条件下金属壳体后封头比复合材料壳体后封头有更高的承受外压能力;壳体后接头、喷管固定体对后封头承外压能力有加强作用;壳体后开口直径越大,临界屈曲载荷越大。

固体火箭发动机复合材料壳体细观力学仿真分析

根据固体火箭发动机复合材料壳体逐层缠绕的实际工艺进行复合材料壳体细观力学有限元计算方法研究,并针对复合材料壳体封头纤维缠方向(缠绕角)和厚度从赤道到极孔不断变化、纵向缠绕层间有经纬双向织物进行补强的结构特点,编制计算程序,精确计算出封头部位每个纵向缠绕层缠绕角的大小以及缠绕层随半径变化的层厚,采用编程与商用软件相结合的方法,较真实地建立固体火箭发动机复合材料壳体有限元分析模型,并模拟水压试验工况进行了有限元仿真计算,计算结果与水压试验结果误差在8%以内。

子模型法在弹体结构分析中的应用（英文）

针对弹体结构应力集中问题对有限元子模型法进行研究,子模型法将有限元分析分成2次进行:第1次采用稀疏网格,获得子模型边界上各节点的位移;第2次将子模型边界以内网格划分细密,而将第1次计算所得的边界上各节点的位移作为边界条件,获得子模型边界以内(应力集中部位)较准确的应力计算结果。文章采用ANSYS子模型法对有应力集中的弹体舱(级间)段结构进行有限元分析,解决了常规有限元法网格密、计算量大,甚至无法计算的难题。

一种新型珍贵文物隔震装置

按照典型地震波对一种全新的文物隔震装置设计方案进行了动力学仿真分析与试验考核。结果表明,该装置结构设计方案正确,性能满足文物隔震要求。

ADAMS和ANSYS在机构分析中的应用(英文)

针对ANSYS软件适合线性/非线性应力、应变分析,不适合机械系统运动/动力学分析,而ADAMS软件适合机械系统运动/动力学分析,不适合有限元分析的特点,介绍了将ANSYS和ADAMS两种软件结合起来对机械结构进行动力学分析及应力、变形分析的方法,通过实例证明此方法可行。

轴压载荷作用下全复合材料裙与壳体搭接区的结构分析

对轴压载荷作用下固体火箭发动机复合材料裙与壳体搭接区的受力变形情况及承载能力进行了有限元分析，应用板壳理论对搭接区进行了分析，证明有限元计算结果合理可信；对裙搭接长度在40～60mm范围内进行了寻优计算。结果说明，搭接区裙外铺层是搭接区最薄弱的环节；影响搭接区承载能力的主要结构因素有裙尖厚度、裙外铺层厚度、直段橡胶长度；随裙搭接长度的增大，搭接区承载能力呈现先增大后减小的趋势，存在搭接区承载能力的极大值。该分析方法和结果可供搭接区分析设计参考。

级间热分离条件下带有延伸喷管的固体火箭发动机尾部流场分析

通过数值方法求解二维轴对称N-S方程,对级间热分离条件下带有延伸喷管的固体火箭发动机尾部流场进行了数值分析。分析表明,展开前,受限尾流使延伸锥、发动机后封头及基础喷管外壁处于严重的热环境中;展开过程中,尾流作用在延伸锥上的气动力变化剧烈。计算结果对发动机的热防护设计及展开机构的驱动力设计提供了依据。

延伸喷管延展撞击动力学分析

运用MARC软件对某发动机延伸喷管进行了非线性瞬态动力学分析,得到出口锥与延伸锥延伸过程仅经受撞击力作用下的变形及应力随时间的变化情况。对接合部位的密封圈进行了大变形处理,并在计算过程中对网格进行了重新划分。计算结果表明,该喷管出口锥与延伸锥结构是安全的,但考虑到材料性能的波动,安全余量较小,应从设计上保证产品的可靠性。该计算方法对延伸喷管的设计具有指导意义。

延伸喷管展开ADAMS动力学仿真(英文)

利用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS进行延伸喷管展开动力学仿真,在已知延伸喷管结构尺寸、各部件质量特性、作动筒内压力及各种展开阻力的条件下,计算了延伸锥展开位移、速度和加速度。并与试验结果比较,两种结果接近。对计算结果分析得知,在保证展开时间满足要求的前提下,适当降低展开速度并尽可能匀速展开,可以减小展开过程中延伸锥与基础喷管之间的撞击力;为了保证展开可靠性,作动筒的展开力应有一定持续时间,尽量避免出现压力峰后压力突降。对固体火箭发动机延伸喷管设计与研究具有重要意义。

变厚度弹性件柔性接头的非线性分析

结合试验数据,采用Mooney-Rivlin模型模拟了柔性接头的弹性件材料;根据非线性理论,采用混合插值有限元法对某一摆角状态下的柔性接头进行了大变形非线性弹性分析,并在此基础上初步探讨了厚度不均匀弹性件对层间应力的影响。计算结果表明,弹性层减薄到一定程度时,层间剪切应力沿宽度方向分布变得均匀,应力值仍集中在2 MPa以下;层间法向应力分布变化较小,呈二次曲线分布,最大值有所降低;其中,接近后法兰的弹性件厚度不均时,对各项应力最大值影响较大。

一种耐高温双球窝对称连接深水立管柔性接头结构设计与分析

针对海洋深水油气开采对深水立管柔性接头大摆角、耐高温、高压的需求,介绍了一种全新的深水立管柔性接头设计,并按照内压、温度载荷对该设计方案进行了强度、摆动刚度、传热等仿真分析。仿真结果表明,该新型深水立管柔性接头结构设计方案正确,工作压强、轴向载荷和最大摆角等主要性能指标达到并超过国外先进水平。

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接部位参数研究

应用人工神经网络算法对固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构的5个参数进行了研究。文中以发动机壳体在400t轴压载荷下裙外缠绕层最大纤维主应变作为目标函数。基于计算机数值仿真技术的实验设计(DOE)对5个参数进行了优化设计。利用另一组27个测试样本集对网络的有效性进行了校核。最后,获得了目标函数随设计变量的曲线关系,并对参数进行了灵敏度分析。

动滑轮系统对延伸喷管展开动力学的影响

为研究延伸喷管作动筒内部动滑轮系统对喷管整体展开动力学特性的影响,建立了延伸喷管运动分析模型,获得了简化下的展开过程解析解。通过仿真分析,得出在摩擦力的作用下,随着动滑轮预紧力的增大,展开到位前平均速率呈现先增大后减小的趋势,在40 N附近达到极大值;同时,随着预紧力的增大,平衡状态下锁紧机构的逐渐到位,在大于65 N后可以完全锁紧。对喷管展开后动滑轮的脱开现象进行了分析,计算得出在理想条件下,预紧力大于62 N后,可避免动滑轮系统的脱开。仿真结果与实验结果吻合较好,且解释了实验中存在的现象。仿真计算为动滑轮系统与延伸喷管整体的优化设计提供了参考。

基于Simulink的延伸喷管燃气展开过程联合仿真

为进一步优化作动筒式双级延伸喷管的设计参数,需要对延伸喷管展开的全过程进行更加细致的分析与仿真。针对作动筒式双级延伸喷管采用燃气发生器展开的工况,通过在Matlab/Simulink中构建燃气发生器内药柱燃烧与作动筒内燃气的膨胀做功模型,结合Ansys动力学仿真模块,对延伸喷管从燃气发生器点火开始到延伸喷管展开到位的全过程进行联合仿真。将仿真结果与试验数据对比,证明了模型可以较为准确地预测出工作过程中作动筒内压强的峰值、展开到位时压强值以及燃烧完毕时作动筒残压值,最大误差约10%。仿真结果表明,建立的燃烧-传递-做功-展开的模型合理可靠,可较为准确地预估出燃气发生器药量变化对延伸喷管展开动力学参数的影响,具有较强的工程应用价值。

“航空航天结构与力学”专栏(Ⅱ)导语

力学是宇航科学与技术领域工程发展的重要支撑学科。目前,世界各国均在竞相大力发展航空航天技术,火箭、导弹、卫星、超高速飞行器、航空飞行器等先进装备朝着超强承载、极端耐热耐振、超高精度、超轻量化和高可靠性等方向发展,这对航空航天力学提出了新的挑战。近年来,高性能材料、人工智能、数字孪生、增材制造等新兴技术应用也为航空航天装备研发注入了新的活力,航空航天结构与力学发展面临新的机遇。专栏(Ⅱ)聚焦于航空航天结构与力学,选录了8篇文章,内容涉及航空航天工程中的关键力学问题、复杂环境下的结构强度与轻量化设计、材料/结构/功能一体化设计、航空航天力学与其他学科交叉研究等,希望能够为研究人员设计出满足新型航空航天装备提供帮助。

弹性动力学瞬态问题的频域边界元快速解法

为解决常规基于离散傅里叶变换的频域边界元法难以解决无阻尼和低阻尼系统瞬态分析的问题,将指数窗口法与频域边界元法相结合,并采用预校正快速傅里叶变换(pFFT)方法加速边界元求解。为进一步提高分析效率,针对频域边界元法所形成的系列线性方程组,提出了一种最小二乘外推法以获得较高精度的迭代初值,可使初始解残差小于10-2,从而显著减少了迭代次数;将新型的子空间回收算法用于频域系列线性方程组的求解,加快了方程组的迭代收敛速度。算例表明,所提出的方法可显著减少频域边界元法的迭代次数,从而提高了计算效率,并有效降低了迭代解法的内存消耗。