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。

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。

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%。

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。