粘弹性应变能释放率的虚拟网格计算方法

应变能释放率是粘弹性裂纹扩展判断的重要依据。为了解决低质量网格条件下的高精度粘弹性应变能释放率的数值计算问题,提出了裂纹尖端虚拟网格方法。在原始网格位移场基础上通过插值手段获得虚拟网格位移场、应力及应变场分布;基于虚拟网格信息并结合虚拟裂纹闭合方法,开展应变能释放率的数值计算。虚拟网格方法在应对裂纹扩展过程中任意复杂网格形式的同时,不再需要对原始裂纹尖端进行精细网格划分。两种典型断裂模式下的算例仿真结果表明,全积分形式的虚拟网格方法可以实现低泊松比条件下应变能释放率的高精度数值计算,相对误差均在5%以内。为了应对高泊松比下的断裂问题,设计了虚拟网格方法的缩减积分方案;缩减积分方案下的应变能释放率相对误差在1%左右,计算精度较全积分方案大幅提高。

基于虚单元法(VEM)的固体推进剂药柱结构完整性分析

为利用多边形单元在网格划分时的灵活特性,采用虚单元法(VEM)开展固体推进剂药柱结构完整性分析。在虚单元空间的基础上,介绍了虚单元法中刚度矩阵的主要计算流程。针对固体推进剂典型的线粘弹性本构,开展了一系列相关的算例验证工作。仿真结果表明,VEM可以精确地模拟出不同阶跃应变条件下粘弹性薄板的应力松弛响应;在粘弹性薄板双侧蠕变测试中,VEM计算出的薄板双侧应变响应与解析解一致;在点火阶段,利用VEM计算出的圆管药柱环向、径向应力-应变与解析解、ABAQUS计算出的数值解相互吻合。结合VEM在处理多边形单元领域的优势,可以进一步利用VEM进行药柱结构完整性分析领域的深入研究。

点火压力下药柱Ⅰ型裂纹扩展仿真研究

裂纹扩展特性是含缺陷发动机药柱结构完整性分析的前提。利用非固有内聚力模型,在有限元方法的基础上结合网格拓扑操作,发展了裂纹扩展仿真方法。以圆管发动机为例,研究了指数型点火压力作用下裂纹扩展的规律。研究结果表明,裂纹张开位移、裂尖横向位置在加载初期增速较大,加载末期增速较缓;随着压力因子绝对值、初始裂纹深度的增加,以及内表面均布裂纹数量的减少,裂纹张开位移会增大;压力因子绝对值越大,点火压力越大,裂纹也越容易提前扩展。初始裂纹深度的增加会在加载初期提前导致裂纹的扩展,在加载的后期,初始裂纹深度的增加反而会延迟裂纹扩展的时间。在加载的后期,尽管裂纹累计扩展次数一致,但裂纹数的增加会导致裂纹张开位移的减小,进而延迟裂纹扩展的时间。

一种适用于回字形截面梁的新型翘曲形状函数

回字形截面梁是本科力学课程教学中常见的一种梁结构,本文提出一种适用于回字形截面的翘曲形状函数,基于此,建立了适用于回字形截面梁的高阶剪切变形梁模型。所提理论同时考虑了横截面剪切变形和转动惯量的影响,且不需引入剪切修正系数,对于回字形截面梁的动静态力学行为计算精度高。同时,计算过程简单,易于工程应用,可以作为材料力学、弹性力学和有限元法课程教学实例,也可基于所提理论发展新的一维高精度有限元梁模型。

长期贮存HTPB推进剂蠕变特性分析

固体发动机贮存过程中推进剂在自重荷载作用下会发生蠕变,为研究HTPB推进剂长期贮存期间的蠕变特性,采用MSC.Marc计算了卧式与立式贮存两种工况下发动机的最大Von Mises应力;基于数值计算结果设计并开展了1000 s短期往复蠕变试验与10000 s长期蠕变试验。结果表明,推进剂蠕变从变形开始到最终破坏的过程可分为瞬时变形、衰减蠕变、稳态蠕变以及加速蠕变破坏四个阶段。蠕变应力水平小于0.1 MPa时,衰减蠕变趋于稳定,蠕变应变25.32%可作为该推进剂蠕变进入稳态蠕变阶段的临界值。蠕变过程会对试样造成损伤,损伤程度与蠕变时间和应力大小正相关。拼接了短期蠕变试验数据,拼接曲线与长期蠕变试验数据曲线一致性较好。试验结论可为固体发动机结构完整性和贮存寿命评估提供参考。

考虑粘弹性泊松比的固体推进剂蠕变型本构模型

在粘弹性材料中,泊松比是时间和温度相关的函数。提出了一种新的考虑时间和温度相关泊松比的推进剂蠕变型本构模型。为了建立合适的本构模型,采用拉普拉斯变换方法对经典蠕变型本构模型进行了改进,将时间无关的弹性泊松比变换成时间相关的粘弹性泊松比。基于时温等效原理,将泊松比的时间和温度相关特性利用WLF方程进行建立联系。基于蠕变型本构模型的增量形式将该模型开发到有限元程序MSC.MARC中。针对星孔发动机点火增压工况进行了结构完整性分析。仿真结果表明,粘弹性泊松比对结构的应力应变影响介于初始和平衡泊松比对结构分析的影响之间。并且该蠕变型本构模型与松弛型本构模型的分析结果一致。

固体推进剂黏弹性本构模型及其有限元应用研究

基于时温等效原理和WLF方程建立推进剂黏弹性泊松比主曲线方程,进而建立考虑时间温度相关泊松比的推进剂本构模型。基于增量有限元方法,采用完全显式积分算法推导增量形式的黏弹性本构方程。根据MSC. Marc用户子程序编程规则,确定本构模型对应的一致切线刚度矩阵从而实现本构模型的有限元应用。先后通过固化降温以及点火增压工况,分别采用黏弹性泊松比以及弹性泊松比对药柱结构进行应力应变力学响应分析,并对比不同类型泊松比对应力应变场的影响。研究方法和结果可为发动机药柱的精细结构完整性分析提供参考。

基于粒子群算法的三维固体火箭发动机药形快速优化方法

在高体积装填分数前提下,如何提高发动机的结构完整性是固体火箭发动机药形优化设计面临的主要问题。通过提出基于粒子群优化算法(PSO)的三维固体火箭发动机药形快速优化设计方法,采用MSC.Patran的二次开发工具PCL实现某三维固体火箭发动机药柱的参数化建模,在不改变体积装填分数的前提下,分别采用PSO算法和遗传算法(GA)完成该发动机药形的优化设计。结果表明,两种方法均能满足优化设计要求,但PSO算法比GA算法的计算时间缩短了42%,所提方法可快速实现固体火箭发动机药形优化设计,提高复杂三维固体火箭发动机的结构完整性能。

基于三维八节点内聚单元的固体火箭发动机粘接界面结构分析

粘接界面应力状态是固体火箭发动机三维结构完整性分析的关键。首先在内聚参数松弛效应的基础上,建立了粘弹性PPR内聚力模型,构建了三维八节点内聚单元,推导了全局坐标系下单元变换矩阵,并进行了单元分离位移场的计算,结合八节点六面体等参单元,形成了单元内力矢量以及单元刚度阵。之后,以固化降温和点火增压两种典型工况为例,对发动机开展上述三维有限元分析。仿真结果表明,固化降温和点火增压两过程结束时,粘接界面上最大的切向内聚力分别为0.03 MPa和0.11 MPa,最大的法向内聚力分别为0.065 MPa和-0.348 MPa,均小于某发动机粘接界面的内聚强度。论文提出的基于三维八节点内聚单元的分析方法和研究结论可以为发动机粘接界面三维结构分析提供有利参考。

推进剂“脱湿”损伤研究的内聚力单元方法

内聚力单元是进行推进剂“脱湿”损伤研究的重要手段。通过分子动力学方法构建推进剂高填充比几何模型,结合周期几何和周期边界处理方法,构建推进剂细观有限元分析模型。采用内聚力单元结合PPR内聚力模型开展颗粒和基体黏接界面“脱湿”行为模拟。在单轴拉伸和纯剪试验下分析推进剂细观结构的力学响应,开展推进剂“脱湿”损伤机理研究。针对不同的体分比、应变速率以及内聚强度,开展了“脱湿”损伤影响规律分析。研究方法和研究结论可以为新一代高性能推进剂配方的研制提供有利的参考。

固体发动机推进剂/绝热层界面Ⅰ型脱粘力学行为试验与仿真研究

为了准确描述和预测固体发动机界面的粘接性能,为固体发动机结构完整性分析提供有效参考,通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序(UEL)对基于势函数的PPR内聚力单元进行了二次开发,设计了固体发动机推进剂/绝热层界面Ⅰ型脱粘试验方案,并基于试验的反演分析获得 PPR 内聚力模型对应的特征参数,对不同加载速率下粘接界面的断裂与损伤特性进行了相关研究。研究表明,PPR 内聚力模型能够较好地描述界面脱粘过程,且粘接界面的力学行为具有显著的率相关性,随着加载速率的增大,粘接界面的内聚能和内聚强度均增大,法向初始刚度和损伤起始位移均减小。此外,I 型界面脱粘试验过程中加载力随位移的变化可分为强化阶段和损伤演化阶段,粘接界面的速率相关性主要体现在损伤演化阶段。

多旋翼无人机减振分析与实验

针对多旋翼无人机机身系统振动过大导致飞行状态不稳的问题,基于有限元仿真技术与实验方法,进行了减振分析。通过频率分析,确定系统振动过大的原因为固有频率与激励频率耦合导致的共振现象,且共振频点的模态振型包含一阶挥舞、一阶摆振和二阶摆振振型。提出了优化机身壳体截面形状的设计方案,在不增加额外质量的情况下,将一阶挥舞、一阶摆振和二阶摆振振型对应的频点分别提高37.23%、22.47%和18.43%,有效规避了机身共振现象。仿真实验证明,提出的有限元仿真与实验结合的减振分析思路及优化设计方法,可为旋翼无人机减振设计提供参考依据。

固体推进剂粘弹性泊松比应变率-温度等效关系

固体推进剂粘弹性泊松比严重影响着药柱结构完整性的分析精度。针对点火增压过程药柱的受力特点,基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法,设计了可测试推进剂粘弹性泊松比的单向定速拉伸试验,研究了温度和拉伸速率对推进剂粘弹性泊松比的影响规律,利用粘弹性材料参数的应变率温度等效原理,建立了参考温度下推进剂粘弹性泊松比的应变率主曲线。研究表明,推进剂的粘弹性泊松比随温度和拉伸速率的增大而增大,当拉伸速率达到 500mm/min时,推进剂泊松比逐渐趋近于某一常值。考虑到发动机点火增压过程,药柱的加载速率一般在0.5s-1以上,应变率较大,因此可以将推进剂的泊松比取为一常数,但必须考虑发动机的工作温度,选取合适的泊松比。相关方法和结论可为固体发动机结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。

止脱弹簧的蠕变行为与贮存寿命预测

根据止脱弹簧的受力模式和失效机理,设计了止脱弹簧的蠕变老化试验装置,对止脱弹簧进行了蠕变加速老化试验,利用图像测量技术研究了载荷和温度对止脱弹簧自由端蠕变行为的影响规律。进一步,基于Arrhenius方程建立了止脱弹簧在力-热联合载荷下的蠕变动力学方程,预测了止脱弹簧的使用寿命。研究表明:止脱弹簧的蠕变位移是一个随时间变化的单调非减函数;环境温度和载荷水平的提高都会加速止脱弹簧的蠕变。所提方法和相关结论可为蠕变型止脱弹簧的设计和寿命预测提供参考。

固体火箭发动机加压固化压强优化设计

加压固化工艺能有效降低固化降温过程固体火箭发动机药柱的残余应力,提高其结构完整性。为准确便捷地确定最优固化压强,采用消除壳体对药柱外表面的变形约束的方法,分析加压固化工艺无法完全消除药柱残余应力应变的原因,指出固化降温过程壳体轴向和径向变形是影响药柱结构完整性的主要因素。基于现有数值计算方法,提出一种考虑药柱初始变形的三步分析法,采用全因子试验设计方法,对药柱结构完整性关于壳体轴向变形和径向变形的灵敏度进行分析并给出估算压强;再利用Evol优化算法,基于估算压强对某翼柱形药柱发动机进行了优化分析。确定最优加压压强为1.922 MPa,此时药柱中的最大主应变降为1.085%,与常压固化相比降低了79.15%,药柱中最大主应力较常压固化降低了72.11%。

基于轴对称内聚力单元的立贮发动机黏接界面结构完整性分析

建立轴对称内聚力单元是进行立贮发动机黏接界面应力分析的重要手段。在变形后的轴对称内聚力单元上建立参考坐标系,推导了单元节点位移在参考坐标系和全局坐标系下的转换关系。基于单元分离位移推导了单元内力矢量和单元刚度矩阵。开展了旋转体的分离测试,验证了轴对称内聚力单元的准确性和高效性。针对立贮发动机,先后开展了轴向加速度以及波浪载荷作用下的发动机结构分析,重点研究了黏接界面上应力的大小以及分布规律。研究方法和结论可以为发动机黏接界面结构分析提供有利参考。

考虑时间效应的发动机粘接界面力学模型研究

传统的内聚力模型只能描述静态的分离力与分离位移之间的关系。为了描述随时间变化的分离力与分离位移关系,本文采用Maxwell模型,在PPR内聚力模型基础上,提出了一种新型的时间相关内聚力模型。数值仿真结果表明,粘接强度、临界位移以及损伤起始位移随加载速率和粘性系数的增加而增大。开展了三种不同拉伸速率下的双悬臂夹层梁试验件拉伸试验,通过反演分析手段,得到了描述粘接界面时间相关内聚力模型参数。试验及仿真结果对比分析表明,本文提出的时间相关内聚力模型可以有效地模拟时间变化对分离力的影响。

基于源项法的闭式回路架构对主泵性能影响的分析研究

传统的主泵流动分析平台多为简化的开式流路,与真实闭式回路运行工况存有较大差异。为探究主泵在真实回路中的流动特性与机理,以包含密封口环间隙的主泵全通道水力模型为研究对象,采用源项法进行稳态、瞬态计算分析研究。稳态计算结果表明:闭式循环回路中形成漩涡流态,致使主泵进口处发生预旋,产生入流畸变,导致湍动能有所增加,能量分布不均匀;瞬态计算结果表明:相较于开式流路,闭式回路入流畸变带来流场压力、速度、湍动能、压力脉动等特性的变化,导致泵体扬程、效率均有所下降,所受径向力、轴向力增大。闭式循环回路架构针对主泵流动性能的分析更接近真实流动。