梁平,盧洪義,曹翌軍,王鑫

(海軍航空大學(xué),山東 煙臺(tái) 264000)

振動(dòng)載荷作用下的固體發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析

梁平,盧洪義,曹翌軍,王鑫

(海軍航空大學(xué),山東 煙臺(tái) 264000)

針對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)在低頻振動(dòng)載荷作用下的影響分析,采用分布式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際承受外在環(huán)境載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè),獲得了環(huán)境實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù);建立了固體發(fā)動(dòng)機(jī)整體模型,對(duì)雙材料界面采用CZM界面單元模型,在實(shí)測(cè)載荷的基礎(chǔ)上對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面層和裝藥內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布.結(jié)果表明了固體發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面層的應(yīng)力集中點(diǎn)在人工脫粘層與粘接界面的交界處,其最大應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值為σmax=172.3KkPa、εmax=0.0573;發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥內(nèi)部的應(yīng)力集中位置在裝藥內(nèi)槽中部的星角位置,其最大應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值為σmax=96.35Kk Pa、εmax=0.0237.

低頻振動(dòng)載荷;固體發(fā)動(dòng)機(jī);應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng);CZM界面單元模型

裝藥和粘接系統(tǒng)作為固體發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)重要組成部分,同時(shí),也是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能和壽命的重要部件.固體發(fā)動(dòng)機(jī)從生產(chǎn)到入庫(kù)貯存過(guò)程中會(huì)承受各種各樣的環(huán)境外在振動(dòng)載荷的影響,振動(dòng)載荷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響主要包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成破壞和降低發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的力學(xué)性能,因此研究振動(dòng)載荷作用下固體發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)具有重要的意義.

國(guó)內(nèi)外在固體發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模擬研究方面做出了大量的工作,顏彬基于藥柱熱粘彈性積分型本構(gòu)方程,推導(dǎo)出適合于藥柱在溫度載荷下瞬態(tài)響應(yīng)問題的有限元方程.根據(jù)某一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可能經(jīng)歷的環(huán)境條件,運(yùn)用有限元Marc對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥在固化冷卻和常溫、低、高溫點(diǎn)火試車時(shí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出危險(xiǎn)點(diǎn)位置,繼而進(jìn)行完整性分析,并討論了材料性能參數(shù)、藥柱幾何形狀、固化工藝條件改變對(duì)星型裝藥的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)影響規(guī)律.

本文在基于實(shí)測(cè)振動(dòng)載荷的基礎(chǔ)上,利用ABQUS有限元分析軟件計(jì)算了某型艦載導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)在不同實(shí)測(cè)振動(dòng)功率譜條件下的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng),同時(shí)對(duì)裝藥和粘接系統(tǒng)的應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行了分析.

1 物理模型

在運(yùn)輸轉(zhuǎn)移和隨著艦艇巡航時(shí),艦載導(dǎo)彈處于預(yù)發(fā)射狀態(tài),彈射系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)彈的支撐是彈性支撐,能進(jìn)行一定程度的減震,但正常情況下彈射系統(tǒng)對(duì)低頻、小振幅的載荷有一定的抗性,同時(shí)在艦艇巡航期間,貯運(yùn)箱內(nèi)對(duì)艦載導(dǎo)彈有相對(duì)完善的固定設(shè)備,因此可以假設(shè)導(dǎo)彈隨艦航行期間,導(dǎo)彈與發(fā)射貯運(yùn)箱保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),最終經(jīng)過(guò)ABQUS軟件設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型.

考慮計(jì)算量的問題,作出如下假設(shè).

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥、絕熱層和殼體的材質(zhì)分布均勻,除去人工脫粘層,其余各個(gè)粘接界面無(wú)裂紋存在.

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部分受熱均勻,同時(shí)發(fā)射貯運(yùn)箱內(nèi)流通空氣均質(zhì)和同溫.

(3)不考慮熱輻射問題,發(fā)動(dòng)機(jī)與環(huán)境間只存在對(duì)流換熱.

2 材料屬性參數(shù)

本文某型艦載導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥使用丁羥推進(jìn)劑,視為各向同性的線性粘彈性材料,表征參數(shù)主要包括初始彈性模量、泊松比、剪切模量和體積模量;初始彈性模量經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得初始模量值為12.232MPa(T=60℃),泊松比取值0.495;其余參數(shù)的計(jì)算公式如下:

false相比裝藥的粘彈材料參數(shù)數(shù)值而言,殼體和襯層可以視為彈性材料,其主要參數(shù)以及丁羥推進(jìn)劑材料參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得如表1.

表1 材料參數(shù)

3 網(wǎng)格劃分

本文為保證更高的精確率,采用完全積分單元對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.為了適當(dāng)?shù)臏p少網(wǎng)格的數(shù)量,縮短計(jì)算時(shí)長(zhǎng),對(duì)模型進(jìn)行合理分割,藥柱采用四面體自由網(wǎng)格(C3D4),殼體、襯層和包覆套筒采用規(guī)則的六面體掃略生成網(wǎng)格(C3D8),同時(shí)對(duì)藥柱和襯層的粘接界面進(jìn)行了網(wǎng)格優(yōu)化處理.最終得到模型網(wǎng)格圖如圖1.

圖1 有限元網(wǎng)格圖

4 場(chǎng)輸出結(jié)果及分析

振動(dòng)載荷作用過(guò)程中52s時(shí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)粘接面層上的最大應(yīng)力σmax=172.3kPa,位置在發(fā)動(dòng)機(jī)尾部人工脫粘層與粘接面層的交接平面上,粘接面層上的最大應(yīng)變?yōu)棣舖ax=0.0573,位置在粘接層底部.發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥內(nèi)部最大應(yīng)力為σmax=96.35kPa,位置裝藥星角的中間段位,裝藥內(nèi)部最大應(yīng)變?yōu)棣舖ax=0.0237,位置在發(fā)動(dòng)機(jī)槽孔底部的星尖處.

將振動(dòng)載荷作用后的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)與初始條件應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)相對(duì)比,可以得知發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平上升相對(duì)明顯,但應(yīng)力集中區(qū)域基本保持不變;對(duì)比應(yīng)變分布云圖可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)載荷加載以后的應(yīng)變集區(qū)域更加分散,集中點(diǎn)較為突出,數(shù)值上也有所提升.從以上現(xiàn)象可以總結(jié)出,低頻振動(dòng)載荷在一定程度上提升發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力應(yīng)變水平,加速發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)損傷和藥柱老化,但不會(huì)影響應(yīng)力應(yīng)變的分布.

5 歷程輸出結(jié)果及分析

為了更好地說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面、星角處應(yīng)力的連續(xù)分布情況和關(guān)鍵位置的應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況,在粘接界面和星角處創(chuàng)建了兩條路徑,同時(shí)在包覆套筒、星角和粘接層底部取了四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),關(guān)鍵點(diǎn)A點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的10342號(hào)節(jié)點(diǎn),位置在裝藥頭部星尖與包覆套筒連接處,關(guān)鍵點(diǎn)B點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的7511號(hào)節(jié)點(diǎn),位置在裝藥中部的星角處,關(guān)鍵點(diǎn)C點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的396號(hào)節(jié)點(diǎn),位置在發(fā)動(dòng)機(jī)尾部人工脫粘層與柱段連接處,關(guān)鍵點(diǎn)E點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的954號(hào)節(jié)點(diǎn),位置在發(fā)動(dòng)機(jī)尾部人工脫粘層與柱段連接處,與關(guān)鍵點(diǎn)C點(diǎn)對(duì)稱分布,圖2為路徑和關(guān)鍵點(diǎn)位置的分布圖.

圖2 路徑及關(guān)鍵點(diǎn)分布圖

應(yīng)力的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于輸入加速度值的頻率,原因在于本文使用瞬態(tài)力學(xué)來(lái)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng),有限元在計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變值時(shí)存在數(shù)值回歸計(jì)算,響應(yīng)值存在時(shí)間延遲;應(yīng)力值的峰值波動(dòng)來(lái)源于輸入的振動(dòng)載荷,四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的歷程曲線相比較可以看出,C點(diǎn)的波動(dòng)峰值最大,四個(gè)點(diǎn)的波動(dòng)頻率基本一致,A點(diǎn)的整體波動(dòng)性較為穩(wěn)定.

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的研究,可以得到以下結(jié)論.

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的外在環(huán)境載荷主要以低頻振動(dòng)載荷為主,其頻率范圍在2Hz到5Hz之間,其振動(dòng)幅值相對(duì)較小,基本在1g以下.

(2)通過(guò)對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)分析,可以看出粘接面層應(yīng)力集中區(qū)域在發(fā)動(dòng)機(jī)尾部人工脫粘層與粘接面交接位置,最大應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值為172.3kPa和5.73%.

(3)裝藥內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)槽中部的星角位置,其應(yīng)力數(shù)值相對(duì)粘接面層的應(yīng)力數(shù)值較小,最大應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值為96.35kPa和2.37%.

[1]賀南昌等編.固體推進(jìn)劑性能及原理[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué),1987.

[2]固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境貯存試驗(yàn)和使用壽命預(yù)估方法[J].國(guó)外固體火箭技術(shù),1986.8(2):20-24.

[3]顏彬.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析[D].南京理工大學(xué),南京:2007.

[4]R.A.Heller,M.P.Singh.Thermal Storage Life of Solid Propellant Motors[C].AIAA 16th Thermophysics Conference,Palo Alto,California,June,1981.

V51

A

1671-0711(2017)11(下)-0131-02