固体火箭发动机粘接界面剪切蠕变特性分析与快速预测模型

固体火箭发动机在立式贮存期间,受自重载荷影响,在侧壁粘接界面会产生剪切蠕变行为,威胁发动机的结构安全性和贮存寿命。为研究粘接界面剪切蠕变特性,对某型发动机剪切界面试验件进行了多种温度与应力下的剪切蠕变实验,获得其剪应变-时间关系,分析了粘接界面力学性能随温度与剪切蠕变载荷变化的响应和规律,最终构建了一种适用于线性粘弹性阶段的发动机粘接界面剪切蠕变快速预测模型。结果表明,该快速预测模型构建方式简单,且预测值与实验值相差低于10%,可以较好地预测线性粘弹性阶段粘接界面短期蠕变行为。

立贮固体发动机黏接界面剪切破坏风险研究

目的评估长期立贮固体发动机黏接界面因剪切变形导致破坏的风险。方法对固体发动机黏接界面剪切试件进行高温加速老化,而后对老化剪切试样进行定速拉伸剪切试验,依据剪切试验结果,总结固体发动机黏接界面力学性能的老化规律。基于Arrhenius方程外推得到固体发动机黏接界面考虑老化的剪切变形破坏判据,采用该破坏判据对立式贮存15 a的某型固体发动机黏接界面因剪切变形发生破坏的风险进行评估。结果黏接界面在经过15 a的老化后,其最大剪切变形为0.7926 rad,比初始性能下降5.31%。选定某型固体发动机进行长期立贮工况计算,仿真计算结果显示,该固体发动机立贮15 s时,黏接界面危险点处的切向应变值0.4633 rad。该值小于老化15 a后黏接界面剪切变形破坏起始点,即该发动机在立式贮存15 a后,界面剪切变形程度未达到破坏阈值。结论该破坏判据能够较为直观地对长期立式贮存固体发动机黏接界面因剪切变形发生破坏的风险进行评估,可为长期贮存固体发动机黏接界面结构完整性评估提供借鉴参考。

固体力学边值问题中的人生哲理

专业课程思政应以挖掘课程内在育人元素为主,结合情境去影响学生的人生观、世界观和价值观,避免“贴标签”、“两张皮”和“硬融入”。固体力学边值问题是“材料力学”、“弹性力学”等固体力学类课程的核心内容,其核心思想为“平衡”、“协调”、“本质”、“自由与约束”,蕴含着丰富的人生哲理。结合教学情境,去影响学生追求卓越而不失衡的人生,卓越是目标,不失衡是底线;学会处理好各种关系,使之不发生“裂纹”;面对外界的干扰、诱惑,始终不忘初心,牢记使命;懂得敬畏规则和红线,懂得自律即自由。

《材料力学》线上线下混合式金课建设的探索与实践

《材料力学》课程具有三多三密的特点,如何开展教学达到金课的水平,是高校老师需要思考的问题。本文在分析了材料力学课程特点的基础上,思考教学内容与教学方法的融合,提出契合“两性一度”的教学内容体系优化提质方案,开展了《材料力学》线上线下混合式的方案设计与教学实践,并对混合式教学中存在的问题进行了分析。

长贮过程中发动机HTPB推进剂老化机理分析

为揭示固体推进剂在长期贮存过程中的老化机理,解剖了自然贮存19年贴壁浇注的端羟基聚丁二烯橡胶推进剂装药发动机,沿着药柱径向不同位置进行了取样,并采用扫描电镜、能量色散X射线光谱仪、红外吸收光谱、交联密度等多种手段对这些样品进行了测试分析。研究发现:贴壁浇注发动机药柱不同位置推进剂的老化程度不尽相同,越靠近非金属壳体位置,推进剂的老化程度越严重。进一步深入分析表明:除了丁羟胶中双键的氧化断链和端羟基的缩合等影响推进剂老化,铝粉氧化产生的铝离子会催化丁羟胶双键与氯气或水发生加成反应生成C=Cl双键和仲醇,而铝离子迁移和分布的不均匀会引起药柱老化的不均匀性。研究结果对推进剂配方设计和防老化措施的研究具有重要意义。

基于Yeoh-Boyce本构模型的HTPB推进剂药柱结构完整性分析

针对精确描述不同工况下固体火箭发动机药柱结构完整性的需求,基于并行流变框架理论(Yeoh-Boyce)提出了一种能表征HTPB推进剂力学性能变化的非线性本构模型。首先开展了非线性本构模型对不同温度、速率和压力条件下推进剂力学性能的预示能力分析,进而基于所构建推进剂非线性本构模型重点对固化降温后点火增压的固体火箭发动机药柱结构完整性进行分析,并将所得计算结果与工程常用Prony级数线粘弹性本构模型计算结果对比,得到了非线性本构模型与Prony级数线粘弹性本构模型两种模型下的固体火箭发动机药柱工作安全系数。结果表明,所提本构模型对推进剂力学性能预示结果与实验数据符合较好,并且使用Von Mises应变为药柱失效准则时,非线性本构模型计算固化降温后点火增压的固体火箭发动机药柱工作安全系数为1.35,Prony级数线粘弹性本构模型计算结果为1.75。以上结果表明,非线性本构模型计算所得工作安全系数远小于Prony级数线粘弹性本构模型计算结果。

材料力学实验课程思政的几点思考

课程思政不仅赋予了理论和专业课程更丰富的内涵,而且对理论和专业课程教学在育人方面的作用提出了更高的要求。本文结合《材料力学实验》课程教学的特点,讨论了力学实验课程如何获取思政案例、如何选择思政切入点和以怎样的方式开展课程思政这三个问题,对于如何把课程思政内容贯穿实验课教学全过程,实现知识传授、能力培养和价值塑造三者的有机统一的问题,进行了一些思考和探索。

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。

基于Patran二次开发的星形药柱结构分析与设计

为了分析药形几何参数对星形药柱固体发动机结构完整性的影响,在有限元软件MSC.Patran/Nastran平台上,用Patran的二次开发工具PCL(Patran Command Language),建立了典型星形药柱参数化模型,分析了温度和内压载荷作用下星形药柱最大Von Mises应变随几何参数的变化规律,通过调整几何参数,对低温工况下某星形药柱进行了结构设计。结果表明,星形药柱的星角系数和沟槽深度对其结构完整性影响较大,通过对这两个参数的设计,可使药柱在低温工况下不出现裂纹。所提出的方法和相应结论可为固体发动机设计提供参考。

固体推进剂宽温-气体围压试验系统设计与试验

针对固体推进剂常压条件下力学性能满足要求,而发动机药柱结构完整性破坏频发的难题,研制了固体推进剂宽温气体围压试验系统,对某 HTPB 推进剂进行了不同环境压力、温度和拉伸速率下的定速拉伸试验,获得了环境压力、温度和拉伸速率对推进剂应力应变曲线的影响规律。研究表明,围压环境下推进剂应力应变曲线没有明显的“脱湿”点,推进剂的抗拉强度明显提高;快速拉伸条件下,围压环境极大地降低了推进剂的延伸率,23 ℃常温 8 MPa 围压环境 1000mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率相对常压条件降低45%;低温围压快速拉伸条件下推进剂的力学性能最为恶劣,-50℃低温8MPa围压环境500mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率降至11%。相关方法和结论可为固体发动机精细结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。

基于Patran二次开发的星形药柱几何参数灵敏度分析

为了分析几何参数对星形药柱结构完整性的影响,在有限元软件MSC.Patran/Nastran平台上,用Patran的二次开发工具PCL(Patran Command Language)实现了星形药柱建模与分析的参数化。研究了星形药柱最大Von Mises应变随药型几何参数的变化规律并进行了灵敏度分析。结果表明,星形药柱肉厚、星角系数、星角数以及沟槽顶弧倒圆半径等对药柱结构完整性影响较大,药型设计时应重点关注这些参数。所提出的方法和相应结论可为固体发动机设计提供参考。

推进剂粘弹性泊松比测试的数字图像相关方法

固体推进剂是典型的粘弹性材料,其泊松比是时间的函数,相关标准中基于接触式测量方法的结果将推进剂泊松比视为常数,影响了药柱结构完整性分析的精度。针对此问题,推导了粘弹性泊松比的松弛型定义,提出了一种基于数字图像相关方法的固体推进剂泊松比高精度测量方法,研制了相应的测试系统,并测量了某HTPB推进剂的粘弹性时变泊松比。评估试验显示该测试系统的应变测量精度可达20με,有效解决了推进剂泊松比千分位测不准的难题。结果表明,推进剂泊松比随松弛时间的增加而增加,具有明显的粘弹特性。所提方法可为粘弹性材料泊松比的高精度测量提供参考。

基于Patran二次开发的固体发动机结构分析系统

在有限元软件MSC.Patran/Nastran平台上,应用Patran的二次开发工具PCL(Patran Command Language),通过客户化、增设特定命令和窗体等技术手段,开发了固体发动机结构分析系统MSA(SRM Structure Analysis system)。该系统突破了参数化建模、内压自动加载和非参数化模型导入等多项关键技术,可方便对固体发动机进行参数化建模、结构完整性分析、参数敏感性分析及贮存寿命预估。系统将专家知识进行了集成,避免了重复工作,是一个开放性的平台,并具有专业的有限元前后处理功能,对固体发动机结构设计和分析具有较高实用价值。

伞盘结构对大长径比发动机药柱结构完整性的影响

为了提高大长径比发动机药柱结构完整性水平,基于三维黏弹性有限元法,计算某大长径比固体发动机在温度和内压荷载联合作用下的结构响应;研究伞盘结构及其位置对药柱最大Von Mises应变的影响规律;讨论当伞盘位于药柱中部时,伞盘最大Von Mises应变随伞盘宽度、深度以及顶部圆弧半径比的变化规律。结果表明,伞盘位于药柱中部时可以有效地降低大长径比药柱的最大Von Mises应变,增加伞盘宽度、深度或选取合适的半径比均可降低伞盘结构的最大Von Mises应变。所得结论可为固体发动机设计提供参考。

预制缺陷柱壳结构的等效裂纹分析方法

针对传统有限元法在分析预制缺陷柱壳时出现的应力/应变计算精度不足、无法有效指导工程实践的问题,提出了一种具有高冗余度的等效裂纹分析方法。将预制缺陷视作典型裂纹,基于奇异裂纹元法对其进行裂纹稳定性分析,并根据稳定性分析结果来评估预制缺陷柱壳的结构完整性。通过该方法得到的分析结果具有比常规有限元分析更高的可靠性,对于导弹线式爆炸分离装置等工作环境恶劣、风险系数较高的预制缺陷柱壳结构而言,该方法有助于提升其设计的安全裕度,具有一定的工程实用性。

基于PCL语言的局部覆盖PCLD梁的动力学优化

为实现局部覆盖被动约束层阻尼(PCLD)梁的动力学优化,在通用有限元软件MSC.PATRAN/NASTRAN平台上,利用PCL语言在PATRAN中建立了局部覆盖PCLD梁有限元模型,实现了设计变量的参数化,以局部覆盖PCLD梁第一阶模态损耗因子最大为优化目标函数,采用单纯型法对局部覆盖被动约束层阻尼梁进行了动力学优化计算。算例表明,程序合理,结果正确,能够满足工程设计需要。

复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数反演

为确定复合固体推进剂颗粒脱湿损伤参数,采用分子动力学方法建立了复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在高氯酸铵(AP)颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤,对复合固体推进剂的细观损伤过程进行数值仿真计算。将数值仿真得到的应力-应变曲线与试验曲线进行对比,建立颗粒脱湿损伤参数的优化目标函数,通过分步迭代计算,对颗粒脱湿损伤参数进行反演识别。结果表明:根据反演参数计算复合固体推进剂细观损伤过程,颗粒夹杂模型表现出的宏观应力-应变关系与试验结果吻合良好,说明双折线损伤模型可以近似表征复合固体推进剂的脱湿损伤。

固体火箭发动机药柱概率贮存寿命预估

基于粘弹性随机有限元法和固体推进剂高温加速老化试验,提出了固体火箭发动机(SRM)药柱概率贮存寿命预估模型。对老化试验数据进行统计分析得到了固体推进剂性能参数数字特征随贮存时间的变化规律,采用三维粘弹性响应面随机有限元法(SFEM)计算了药柱结构响应的均值和标准差,分析了某SRM药柱在不同贮存期的结构可靠度,并对其进行了概率贮存寿命预估。所提方法可为固体发动机研制和使用部门提供参考。

《材料力学》课程综合实践环节设置方法探索

《材料力学》是一门与实际工程联系紧密得课程,但受课时和教学环节等因素限制,学生在完成课程学习后,基本处于应试模式,所学知识从书本中来到试题中,不能达到预期教学目标。为此,本文探索了一种在教学过程中设置实践环节的方法,将所学知识落实的设计制造的简单结构件,以提高学生知识运用能力,激发学生创新意识。

固体火箭发动机药柱伞盘结构应力应变分析

应用三维粘弹性有限元分析方法,分析了某固体火箭发动机药柱在低温载荷作用下的应力应变场,讨论了前伞盘曲面形式、宽度和深度对该部位最大Von Mises应变值的影响。在此基础上,通过调整前伞盘顶端双圆弧曲面结构的半径比,在基本不减少装药量的前提下,有效降低了该处最大Von Mises应变值,并初步确定了最佳半径比的范围,所得结论可为固体火箭发动机装药设计提供定量参考。