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        某星管組合裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析

        2016-12-31 00:00:00李沖沖
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年21期

        摘 要:文章采用三維線粘彈性理論分析了某星管組合藥柱低溫點(diǎn)火過程的結(jié)構(gòu)完整性,文章通過建立固體推進(jìn)劑藥柱的三維有限元模型,結(jié)合線粘彈性理論,分析了某固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥在固化降溫過程和低溫環(huán)境下點(diǎn)火試車時(shí)的結(jié)構(gòu)完整性。通過文章的研究,得到了某固體推進(jìn)劑藥柱固化降溫過程和低溫點(diǎn)火過程的力學(xué)響應(yīng)特性和場(chǎng)變化規(guī)律,為發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥設(shè)計(jì)提供了參考。

        關(guān)鍵詞:星官組合藥柱;結(jié)構(gòu)完整性;三維線粘彈

        引言

        固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的原因有很多種,但其主要的原因則是與推進(jìn)劑的結(jié)構(gòu)完整性有關(guān),在固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥設(shè)計(jì)中,藥柱的結(jié)構(gòu)完整性分析具有重要的意義[1]。

        1 有限元模型

        某型星管組合藥柱發(fā)動(dòng)機(jī)有限元模型如圖1所示。星管組合藥柱在星型段部分的包覆層與殼體之間存在絕熱層,并且為了防止固化降溫過程藥柱兩端與殼體連接部位發(fā)生開裂,在發(fā)動(dòng)機(jī)兩端設(shè)置了人工脫粘層。本課題所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)主要幾何參數(shù)如下:殼體厚度2mm,絕熱層厚1mm,包覆層厚1mm,藥柱外徑144mm,內(nèi)徑48,肉厚23mm,過渡段斜角30°,兩端的人工脫粘層長度均為100mm。建立模型的過程中充分考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)幾何構(gòu)型,保留了倒角、過渡段圓弧等特征,未對(duì)模型作任何修改,以求仿真結(jié)果更加逼近實(shí)際情況。劃分網(wǎng)格時(shí),對(duì)藥柱兩端和過渡段采用局部加密網(wǎng)格劃法,采用C3D20RT單元類型,共生成12591個(gè)網(wǎng)格單元,59880個(gè)節(jié)點(diǎn)。

        2 材料參數(shù)

        文章所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)模型包括殼體、包覆層、絕熱層和藥柱四部分。殼體為合金材料,推進(jìn)劑藥柱為近似不可壓粘彈性材料,絕熱層、包覆層的性質(zhì)和推進(jìn)劑相似。在計(jì)算中,定義殼體和絕熱層為各向同性材料,所有組件的材料參數(shù)如表1:

        常溫(+20℃)時(shí)推進(jìn)劑的松弛模量:根據(jù)常溫(20℃)時(shí)的松弛模量的試驗(yàn)測(cè)量值,擬合可得推進(jìn)劑在20℃時(shí)松弛模量的PONY基數(shù)。

        3 固化降溫過程的結(jié)構(gòu)完整性分析

        文章的研究重點(diǎn)是藥柱的結(jié)構(gòu)完整性,一般殼體、絕熱層和包覆層的結(jié)構(gòu)完整性容易得到滿足,因此只是提取了藥柱的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D來進(jìn)行分析。圖2為藥柱固化降溫至-45°時(shí)的Von Mises應(yīng)力云圖。

        從圖中可以看出在固化降溫過程中,藥柱的最大Von Mises應(yīng)力發(fā)生在藥柱的過渡段上,隨著溫度的變化藥柱的最大Von Mises應(yīng)力一直發(fā)生在相同的位置,溫度下降的越多,藥柱的最大Von Mises應(yīng)力越大, -45°時(shí)達(dá)到5.950MPa。

        為了分析藥柱的結(jié)構(gòu)完整性,圖3給出了藥柱在-45°時(shí)的Von Mises應(yīng)變?cè)茍D。

        由圖可知,在固化降溫過程中,藥柱的最大Von Mises應(yīng)變同樣發(fā)生在藥柱的過渡段上。且同樣的,隨著溫度的變化藥柱的最大Von Mises應(yīng)變一直發(fā)生在相同的位置,溫度下降的越多,藥柱的最大Von Mises應(yīng)變?cè)酱螅?-45°時(shí)達(dá)到10.24%。由此得出,在藥柱的固化降溫至低溫-45°過程中,藥柱的結(jié)構(gòu)完整性滿足要求。

        4 低溫點(diǎn)火過程的結(jié)構(gòu)完整性分析

        圖4,給出了星管組合藥柱在低溫點(diǎn)火試車時(shí)的Von Mises應(yīng)變?cè)茍D。

        從Von Mises應(yīng)變?cè)茍D中可以看出,藥柱經(jīng)歷了固化降溫過程,在點(diǎn)火內(nèi)壓作用下,藥柱的最大Von Mises應(yīng)力應(yīng)變均發(fā)生在藥柱的過渡段靠近圓管段部分,Von Mises應(yīng)變最大值為22.24%,滿足結(jié)構(gòu)完整性的要求。

        5 結(jié)束語

        文章分析了藥柱在固化降溫過程和低溫點(diǎn)火過程的結(jié)構(gòu)完整性,通過分析得出該藥柱低溫點(diǎn)火過程的結(jié)構(gòu)完整性滿足要求。同時(shí)結(jié)合Von Mises應(yīng)變?cè)茍D,指出了星官組合藥柱的應(yīng)變最大值出現(xiàn)在藥柱的過渡段上,此為藥柱的危險(xiǎn)部位,在藥柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)這一位置加以重視。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王錚,胡永強(qiáng).固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)[M].北京:國防出版社,1993.

        [2]董師顏,張兆良.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京理工大學(xué)出版社,1996,3.

        [3]楊挺青.粘彈性力學(xué)[M].華中理工大學(xué)出版社,1990,6.

        [4]李錄賢,等.三維藥柱的熱粘彈性有限元分析[J].推進(jìn)技術(shù),1997,18(3):45+50.

        作者簡(jiǎn)介:李沖沖(1988,04-),男,河南新安,碩士,漢族,中國空空導(dǎo)彈研究院,助理工程師,航空宇航推進(jìn)理論與工程。

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