固体火箭发动机药柱结构完整性研究进展

从推进剂及粘接界面力学性能、推进剂及粘接界面失效、发动机药柱及推进剂数值仿真方法、发动机药柱结构试验技术四方面,对药柱结构完整性发展现状进行了全方位多角度的评述,分析了目前固体发动机药柱结构完整性研究所面临的挑战,指出未来应重点发展推进剂和粘接界面力学特性及失效的多尺度表征和测试方法、先进数值仿真方法和发动机药柱结构试验技术,以及开发药柱结构完整性评估一体化平台。

基于推进剂复杂本构模型的药柱结构分析模块开发

为研究固体火箭发动机药柱的非线性粘弹性行为,基于商用有限元软件二次开发技术建立了一种新型药柱结构分析模块。针对一种考虑变泊松比、老化和损伤效应的三维热粘弹性本构模型,采用增量法对其进行了数值离散,导出了本构方程的增量形式,并提出了相应的应力更新方法;基于MSC.Patran和Abaqus软件的二次开发技术,编写了相应的材料子程序,并开发了药柱结构分析模块;考虑本构模型的8种不同形式,先后采用该模块分析了某发动机药柱在全寿命周期过程的结构响应。结果表明,相比于传统线粘弹性本构模型,本文的粘弹性本构模型能更好地表征推进剂真实的力学行为,所开发的分析模块可用于实际型号固体发动机药柱结构分析与寿命预估。

影响NEPE推进剂药柱结构完整性主要参数的分析

为研究某型NEPE推进剂药柱受温度、内压及过载等载荷联合作用下的结构完整性,基于近似不可压三维热粘弹性有限元法,建立了发动机药柱的三维有限元计算模型。针对NEPE推进剂的力学特性,采用最大应变能准则给出了不同工作温度下药柱结构的安全系数,讨论了松弛模量与泊松比两种材料参数对药柱结构完整性的影响。结果表明,工作温度较高时药柱结构的安全系数较低,适当降低推进剂的松弛模量或增大泊松比可提高药柱结构的完整性。

药柱结构完整性分析模型参数的确定

由应力松弛实验数据得出药柱粘弹性材料参数 ,是用NASTRAN进行药柱结构完整性分析的基础。分析了Burgers粘弹性材料模型的函数性质 ,提出了用分段加权目标函数逼近法 ,对不同时间段的实验数据取不同的权值来拟合出粘弹性材料参数。结果表明 ,该方法比最小二乘法有更好的效果 ,更适用于计算药柱的长期储存与寿命预估。

点火增压过程中体积模量对药柱结构分析的影响

根据点火过程中压强-时间和压强-体积模量变化规律,得出了药柱体积模量随时间的变化规律。应用该规律分别进行药柱弹性和粘弹性分析,得出了泊松比变化情况,并与体积模量为常数的分析结果对比;进一步应用弹性有限元分析整个点火过程中圆管药柱内孔周向应变变化情况,探讨了点火过程中体积模量对药柱结构分析的影响。分析表明,压强对拉伸模量影响不大,体积模量增大相当于泊松比增大,粘弹性剪切松弛模量可由近似公式求得,对药柱进行点火过程弹性或粘弹性分析时,应考虑体积模量随压强变化的影响。

无喷管助推器药柱结构优化设计研究

为了得到无喷管助推器药柱设计的最优解,采用无喷管助推器一维非定常内弹道计算方法和粒子群模式搜索混合优化算法,构建了无喷管助推器药柱优化设计框架,优化框架中粒子群算法用于全局搜索,模式搜索算法用于局部搜索。对圆柱内孔装药无喷管助推器的药柱结构进行了优化设计,最大化总冲设计在不增大峰值压强的条件下总冲提升了5.4%,最小化峰值压强设计在总冲不降低的条件下峰值压强降低了33.8%,表明设计框架适用于无喷管助推器药柱优化设计过程,能够满足不同药柱设计的需求,混合优化算法的采用大大降低了优化设计代价。

加压固化工艺对药柱结构完整性的影响

为了获得加压固化对提高药柱结构安全系数的作用,从加压固化的基本原理出发,采用有限元仿真方法对比分析了某固体发动机燃烧室2 MPa加压固化与常压固化下药柱关键部位的应力应变与安全系数,并通过燃烧室2 MPa加压固化与常压固化的变形测试验证了仿真分析结果。结果表明,热载荷下,采用加压固化工艺的药柱应力应变降低39%以上,安全系数至少为常压固化下的1.7倍。同时,通过对不同药型结构、材料参数的对比分析发现,加压固化更适用于翼柱型和环槽型装药结构,其降低应力应变的效果与壳体壁厚、热载荷大小、药柱m数以及推进剂性能密切相关。

水反应金属燃料发动机药柱结构完整性分析

为研究鱼雷水反应金属燃料发动机高夹杂比燃料药柱在局部限位条件下的结构完整性问题,开展了燃料药柱试样力学性能试验,获得了药柱力学性能参数。在有限元软件中建立了燃料药柱试样的数值分析模型,进行了药柱试样的力学性能仿真,通过仿真结果和试验结果的对比,验证了所建立的药柱力学本构模型的合理性。利用该力学本构模型对水反应金属燃料发动机中燃料药柱的结构完整性进行了仿真分析,得到了燃料药柱的力-位移曲线、应力分布云图以及位移云图,仿真结果表明,燃料药柱在典型工况下未发生破坏,径向和轴向的变形程度符合发动机整体结构要求。

固体火箭发动机装药结构完整性冷增压试验研究

为研究固体火箭发动机(Solid rocket motor,SRM)点火阶段药柱的结构完整性,建立了气/液组合介质冷试车快速建压试验系统。该系统建压速率达300 MPa/s以上,可有效模拟发动机低温点火冲击过程。采用该系统对两台某发动机进行了多次低温冷增压试验,并完成冷增压试验后的热试车试验,获得了装药结构完整性失效边界,并初步验证了冷增压试验系统对某发动机安全工作无影响。

套管装药发动机药柱结构完整性分析

为了研究套管装药发动机典型载荷和温度冲击载荷下的药柱结构完整性,使用Abaqus软件对某套管发动机药柱进行了有限元分析,分别计算了固化降温、点火内压、2次与8次温度循环下的药柱温度场和应力场,得到了不同载荷下药柱危险部位的应力应变,对比了不同温度循环次数下内外环药柱温度变化曲线和特定点温度历程。有限元计算结果表明,不同载荷下套管装药外环药柱中孔、前、后人脱凸环位置为应力集中区,而本文载荷下前人脱凸环为最危险部位;内环药柱比外环药柱温度变化幅值小,并且变化滞后于外环药柱;增加温度循环次数,最终状态下药柱应力场变化不大。

柱状装药结构起爆药位置的设置对提高爆破质量的重要性

柱状装药结构具有各类爆破的共性,起爆药在孔中的位置决定炸药爆轰的利用率、爆破效果及成本的高低,说明孔底起爆优于其它方式。

管型装药发动机燃气通道对药柱结构完整性的影响分析

运用计算机仿真、地面试车试验相结合的方法对管型装药侧面燃烧类型发动机的燃气通道优化进行了研究分析，通过理论计算排除了不合理的方案设计，为相关类型发动机的设计提供借鉴和参考。

空气柱装药爆破法的应用

本文阐述了空气柱装药爆破法的原理，结合霍林河南露天煤矿实际爆破情况介绍了该法的装药结构和操作方法，说明了该法适用并取得较好的效果。

基于Herrmann变分原理的三维粘弹性增量有限元法及其应用

发展了一种不可压和近似不可压粘弹性增量有限元法,并对固体火箭发动机药柱进行了三维分析。首先从Herrmann泛函出发并结合对应原理导出了适用于不可压和近似不可压粘弹性材料的本构关系,然后根据虚功原理建立了三维粘弹性增量有限元列式,最后对弹性约束的圆柱形中孔药柱进行了不可压和近似不可压分析。结果表明该方法可用于泊松比接近甚至等于0.5的粘弹性问题计算,尤其适用于固体推进剂药柱的结构分析。

固体火箭发动机冷增压试验与数值仿真

为研究固体火箭发动机点火建压过程对药柱结构完整性的影响,设计了一套冷气增压系统。利用该系统对模拟火箭发动机进行冷气增压实验,得到了药柱所受的压力变化曲线。同时,利用计算机软件对冷增压过程进行流场仿真,对试验药柱进行数值仿真,将试验和仿真结果对比,吻合良好。结果显示,在药柱所受压力的压力峰到来时刻,药柱应变最大,说明固体火箭发动机在点火过程中产生的压力峰是影响装药结构完整性的重要原因。

固体动力设计中的几个主要关键基础问题

针对固体动力性能不断提升和技术发展需求,对制约固体动力设计水平提升中所面临的主要关键基础问题进行了系统梳理。通过对固体发动机的复合材料壳体、燃烧室药柱、推力矢量喷管以及固体超燃冲压发动机技术特点的分析,提出对复合材料壳体结构强度与失效判据问题、燃烧室药柱燃烧机理与团聚机理问题、固体发动机非线性不稳定燃烧的触发和演化机理问题、燃烧室药柱及其界面损伤演化机制与失效判据问题、推力矢量喷管热结构烧蚀机理与能量转换机制问题、固体超燃冲压发动机设计中掺混燃烧机理与模态转换机制以及热防护材料的协同烧蚀机理问题等需重点关注,并指出这些关键基础问题有待于进行更深入研究的方向。

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%。

冻结砾岩层光面爆破施工

介绍了许楼煤矿主井井筒冻结砾岩段光面爆破施工方法。利用利文斯顿爆破漏斗理论并进行现场试验确定冻结砾岩层单位炸药消耗量。本着安全第一的原则 ,合理选取光爆参数 ,同时周边眼采用空气柱不偶合装药结构 ,提高了循环进尺和光爆质量 ,保证了冻结管安全。该井筒冻结砾岩层段爆破施工的成功经验 。