固体火箭发动机模态分析中的推进剂建模研究

应用有限元软件Marc建立了某固体发动机有限元计算模型,对其中难以用有限元模型准确描述的推进剂,采用了两种简化建模方法。一种是仅仅考虑推进剂质量,忽略其刚度等属性,将推进剂简化为均匀附加在发动机壳体有限元模型节点上的集中质量;另一种是将推进剂作为几何实体,考虑其质量和刚度,建立推进剂实体模型。模态计算结果与试验比较表明:推进剂的壳体节点集中质量模型,能较好地模拟发动机的弯曲特性,由于忽略了推进剂刚度,对于呼吸振动特性的模拟不太理想;相比之下,推进剂的实体模型,由于同时考虑质量和刚度,对弯曲和呼吸振动特性的模拟较好一些。计算还表明,要逼近高阶振型,需要将推进剂弹性模量修正得更高一些。

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。

固体火箭发动机模态分析

应用有限元软件Marc建立了某空载固体火箭发动机的有限元模型,进行模态分析,得到了自由状态下的振动频率和振型,与试验结果吻合较好,200Hz以内,分析模型选用的发动机以呼吸振型为主,也出现了一阶弯曲振型。

固体火箭发动机锥形壳体外压稳定性分析

通过外压屈曲计算及外压试验,研究了某固体火箭发动机锥形壳体的外压稳定性。通过外压屈曲计算,得到了壳体的外压临界载荷、屈曲失稳波形、轴向位移以及径向位移随外压载荷的变化规律。对带加强环壳体也进行了外压稳定性分析。对比计算结果发现,虽然壳体的外压承受能力较低,但加强环可有效地提高壳体的外压承载能力。之后,还分析了在加强环总长度不变的情况下,不同加强环分布形式壳体的外压承载能力,得出均布4个加强环的壳体为较优选择。壳体的外压试验所得临界外压载荷与计算结果较吻合。

固体火箭发动机破片冲击起爆阈值计算

固体火箭发动机在机械冲击、爆轰冲击等意外激励的作用下,存在意外引燃甚至爆炸的可能性。对破片冲击固体火箭发动机进行试验,利用有限元方法对破片冲击固体火箭发动机过程进行数值模拟。进一步计算不同工况下破片冲击发动机的起爆阈值,分析影响破片冲击发动机起爆阈值的因素。计算结果表明,发动机壳体、绝热层厚度增加,破片冲击发动机起爆阈值升高,且壳体厚度增加带来的起爆阈值升高更显著;钢破片冲击铝合金壳体起爆阈值小于钢破片冲击钢壳体,小于铝合金破片冲击铝合金壳体;球形破片冲击发动机起爆阈值远高于立方体破片和平头圆柱破片;破片长宽比H/L增加,破片冲击发动机起爆阈值升高。

固体火箭发动机轴向冲击响应有限元分析

对固体火箭发动机固有频率和模态进行了分析,用大质量法将轴向加速度冲击载荷转化为轴向力载荷对模型进行加载,计算了固体火箭发动机的轴向冲击响应,并与试验结果进行了对比分析。计算结果与试验吻合,说明大质量法加载可行。发动机壳体应力较其他部位大,但远未达到强度极限,药柱应变比其他部位大,但数值很小。

喷嘴结构及工艺参数对固体推进剂3D打印挤出成型的影响分析

为研究喷嘴结构及工艺参数对固体推进剂3D打印挤出的影响规律,从而更好地指导喷嘴结构优化与挤出工艺改进,实现高质量连续的固体推进剂挤出与成型,以某固体推进剂3D打印机喷嘴结构为例,开展了固体推进剂3D打印挤出过程的有限元分析,确定了喷嘴直径、喷嘴收缩角、工艺温度和壁面滑移系数四个因素为设计参数,以出口速度均匀性指数与压力降为目标结果,对固体推进剂3D打印挤出工艺进行了正交试验设计,并利用灰色关联度分析法和极差分析法对试验结果进行多目标优化处理。结果表明,相比于其他因素壁面滑移系数对优化目标的影响程度最大,并且当喷嘴直径为1.5 mm、喷嘴收缩角为120°、工艺温度为60℃、壁面滑移系数为103时推进剂药料的挤出成型性能最优,此时的灰色关联度值为0.8018。

利用位移法进行轴向冲击响应有限元分析

为模拟固体火箭发动机的轴向冲击响应,给固体火箭发动机的设计提供一定依据,在模态分析的基础上,利用基于位移法的有限元方法对轴向冲击响应进行分析.计算得到位移、应力及应变等的结果与试验结果基本吻合.由此得到结论:基于位移法的有限元方法适用于进行固体火箭发动机的轴向冲击响应分析计算,能够为固体火箭发动机的设计提供参考依据.

基于细观结构的HTPB固体推进剂含损伤粘弹性本构模型研究

基于对HTPB推进剂的拉伸试验,结合推进剂的细观结构对拉伸曲线进行分段和拟合;建立了推进剂四阶段损伤模型,并将推进剂的力学性能构成分为基体-颗粒界面和基体两部分,提出了推进剂杨氏模量的叠加模型;在试验和拟合结果的基础上,分别建立基体-颗粒界面和基体的损伤方程,较为准确地描述了推进剂拉伸损伤过程,并将其引入杨氏模量的叠加模型;结合现有积分性本构模型,给出了基于细观结构的HTPB推进剂含损伤粘弹性本构模型,并通过不同应变率条件下的拉伸试验进行了验证,结果显示模型预测结果较好。

固体发动机卡环连接结构大变形弹塑性有限元分析

对复合材料壳体与喷管的卡环连接结构进行了弹塑性大变形接触有限元理论分析模型的建立及有限元应力、应变数值分析。对复合材林壳体材料进行了等效正交各向异性轴对称材料模式分析；采用点点间隙单元，分析了卡环、接头及倒锥等多体接触问题。最后，给出了计算结果及结果分析。

固体火箭发动机药柱低温损伤研究进展

从细观损伤、宏观损伤、损伤模型三方面,对固体火箭发动机药柱低温损伤的研究进展进行了综述,并对下一步的研究方向和重点提出建议。目前,用于宏细观损伤分析的固体推进剂本构模型考虑了温度和应变率的影响,但在引入围压条件后,推进剂的力学性能发生显著变化,其抗拉强度、断裂强度和初始模量有显著提升,而最大伸长率则显著降低,考虑围压因素的本构模型研究未来将成为重点;固体火箭发动机低温点火升压的多载荷条件下损伤产生和演化过程已有很多的研究,但对“脱湿”损伤、基体损伤和颗粒断裂损伤发生的时机和机理尚为形成统一理论;损伤模型大多是基于试验结果的唯象模型,未来可借助新的试验设备设计新的试验方法,对细观尺度的损伤进行研究,从而建立基于细观结构的损伤模型。