固体推进剂装药结构完整性分析的研究进展

装药结构完整性分析已成为制约固体火箭发动机研制水平的瓶颈问题之一,基于粘弹性力学理论,综述归纳了固体推进剂装药结构完整性分析的研究现状,重点介绍了药形结构、材料性能、载荷形式和老化贮存4个因素对推进剂结构完整性的影响,分别指出各个因素在固体推进剂结构完整性研究中取得的成就、存在的问题以及未来的发展方向,以期为后续药柱及...     

固体发动机药柱正交各向异性材料参数灵敏度分析

<正>交各向异性材料已在大型固体发动机上得到广泛应用。为了较大地降低发动机药柱的VonMises应变水平,极大地提高发动机的结构完整性能,以星形药柱为例,对固体发动机药柱推进剂和绝热层的弹性模量和泊松比等正交各向异性材料参数进行了灵敏度分析,得到了固体发动机药柱正交各向异性材料参数的灵敏度系数。分析方法与结论对固体发动机的优化设计具有指导作用。     

基于动态平移因子的固体推进剂抗拉强度主曲线测试方法

固体推进剂抗拉强度主曲线是固体火箭发动机设计以及药柱结构完整性分析的重要依据。为此，提出了一种采用非破坏性的动态力学分析(dynamic mechanical analysis, DMA)测试与静态力学试验相结合得到抗拉强度主曲线的新方法。该方法基于动态力学性能主曲线平移因子与静态力学性能主曲线平移因子的一致性，采用非破坏性的动态平移因子确定平移因子，以少量的静态力学测试得到不同温度、拉伸速率下的抗拉强度数据，并按照确定的平移因子进行平移，得到抗拉强度主曲线。研究结果表明：由动态平移因子生成的抗拉强度主曲线与传统方法所得主曲线一致性很好，试验所耗费时间仅为传统方法的22%,材料耗费仅为传统方法的35%。     

长期贮存的固体发动机药柱脱粘界面裂纹分析

为了分析长期贮存的固体导弹发动机药柱脱粘层界面裂纹在燃气内压和轴向过载联合作用下的扩展情况,建立了发动机药柱在包覆层与推进剂之间脱粘的三维有限元计算模型,并于脱粘界面的裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟脱粘界面裂纹扩展。在包覆层与推进剂之间设置不同深度脱粘,计算了在燃气内压和轴向过载联合作用下不同贮存期、不同深度的界面裂纹尖端的应力强度因子,得到了界面裂纹应力强度因子随贮存时间、脱粘深度的变化规律,对长期贮存的固体发动机脱粘界面裂纹的扩展进行了分析。     

固体推进剂药柱结构分析的非概率凸集合理论模型

为了研究不确定性能参数对固体推进剂药柱结构分析的影响 ,将非概率凸集合理论模型和粘弹性有限元相结合 ,以增量法处理遗传积分 ,利用摄动法预测其响应量区间 ,发展了一种适合药柱特点的不确定性方法。将其和随机结构分析进行对比 ,表明两种方法之间有一定的联系。     

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■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。     

含内聚空洞固体发动机药柱的寿命预估

为了对含内聚空洞固体导弹发动机的贮存寿命进行预估,采用加速老化试验,得到该推进剂最大延伸率随贮存时间的变化规律;应用三维粘弹性有限元分析方法,对含内聚空洞的发动机贮存一定时间后直接点火发射过程进行数值仿真,从中获得发动机药柱在点火增压和轴向过载联合作用下的最大Von Mises应变.将不同贮存期药柱的最大Von Mises应变值与推进剂的最大延伸率进行对比,利用结构完整性评估准则,给出了某发动机药柱不同贮存期间内聚空洞大小的允许值.该方法可为含内聚空洞固体发动机的判废提供定量参考.     

定应变作用下NEPE推进剂老化特性及寿命预估研究

为考察定应变作用下NEPE推进剂的老化特性,研究了20%定应变作用下NEPE推进剂贮存老化过程中力学性能、凝胶性能和界面性能的变化.研究结果表明:定应变作用下NEPE推进剂在贮存老化过程中最大抗拉强度降低,最大延伸率变化较小,其老化失效主要表现为强度的失效;定应变下NEPE推进剂的凝胶百分数和粘附功随老化时间的延长而降低,NEPE推进剂粘合剂基体的降解断裂和界面的"脱湿"是其主要的老化机理;定应变下NEPE推进剂的力学性能与细观性能的相关性研究表明,最大抗拉强度与凝胶百分数和粘附功存在相关关系,计算了其关系式,建立了由细观性能评估推进剂宏观力学性能的方法;选择最大抗拉强度下降30%时失效,20%定应变下NEPE推进剂的贮存寿命为8.3年.     

复合固体推进剂颗粒填充模型及其统计特性分析

复合固体推进剂属于高填充比颗粒类复合材料,氧化剂和金属颗粒在基体中的随机分布使其在细观尺度具有非均质的特点。从细观尺度研究固体推进剂燃烧及力学性能时,必须考虑颗粒级配、空间分布和种类等因素的影响。采用分子动力学方法,以硝酸酯增塑聚醚高能复合固体推进剂为研究对象,将固体颗粒模型化为球形,生成其在基体内随机分布的颗粒填充模型。利用Monte-Carlo算法模拟计算颗粒填充模型细观结构的两点概率函数,并研究了颗粒填充体积分数、尺寸与级配等参数对其的影响规律。从统计意义上给出具有各态历经性、统计均匀性和各向同性特点的颗粒填充构型最小周期性代表体元尺寸,可有效减小后续研究的计算量,节约计算成本。所构建的推进剂细观几何构型及对最小周期性代表体元尺寸的计算为后续开展复合固体推进剂细观尺度燃烧、燃面处铝团聚及力学性能数值研究奠定了基础。     

复合固体推进剂等效力学性能VCFEM细观预示方法

根据固体推进剂的细观结构特征,采用等圆最优装载方式生成代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)模型,并结合Voronoi单元有限元方法(Voronoi Cell Finite Element Method,VCFEM)和均匀化方法,发展了一种可预示固体推进剂等效力学性能的数值分析方法,从而得到体分比和组分材料对等效模量和等效泊松比的影响规律。为证明该方法的有效性,设计一个对称数值模型,通过对该方法和传统有限元方法的节点位移结果的比较,发现两者之间的相对误差小于5%,且VCFEM用少量单元就完成了分析,提高了计算效率。通过对不同细观结构下推进剂RVE模型的计算,发现随着夹杂体分比的增大,夹杂的颗粒增强效应越明显,基体材料的变化比夹杂材料对等效力学性能有着更加显著的影响。     

考虑NEPE推进剂力学性能拉压不对称性的装药结构完整性分析

为研究NEPE推进剂拉压不对称性对其装药结构完整性的影响,构建了考虑拉压不对称性的推进剂含损伤非线性本构模型,提出一种考虑拉压不对称性的装药结构完整性评估方法,并对轴向和横向联合过载作用下NEPE推进剂药柱进行了结构完整性分析。结果表明：在轴向和横向联合过载作用下,NEPE推进剂药柱处于拉压共存状态,且药柱的拉伸和压缩区域与推进剂本构模型无关;推进剂的拉压不对称性对其力学响应有一定的影响,考虑拉压不对称性的最大等效应变为1.54,介于分别由拉伸本构计算得到的应变0.193和压缩本构计算得到的应变0.100之间。考虑拉压不对称性的安全系数为5.68,大于未考虑时的安全系数1.73和4.98,传统的结构完整性评估方法较为保守。     

近空间飞行器固体火箭助推器/助推弹道总体设计优化

研究一种近空间飞行器的固体火箭助推器/助推弹道总体优化问题.在选定喷管构型、推进剂、壳体材料、绝热层材料及药柱结构的前提下,建立包含热力学分析与计算、质量分析与计算、气动力分析与计算和弹道设计与计算的系统分析模型,采用一种基于可行性规则与结合模拟退火的混合粒子群优化算法求解最优解.优化结果表明建立的系统分析模型和采用的...     

粘弹性谱随机有限元

发展了一种粘弹性谱随机有限元法(VSSFEM),并将其用于固体火箭发动机装药结构随机分析。基于不可压或近似不可压粘弹性增量有限元方法和正交展开理论,考虑固体推进剂泊松比的随机性,推导了粘弹性谱随机有限元列式,最后对弹性约束的圆柱形中孔药柱进行了随机分析。算例分析表明该方法能够正确有效地进行粘弹性体随机分析。     

基于能量耗散的药柱粘弹性累积损伤

基于不可逆能量耗散的损伤变量定义方法和动态线粘弹性理论,建立了固体推进剂累积损伤模型,利用不同拉伸速率下的试验数据,拟合得到了推进剂破坏耗散能表达式,进而给出了推进剂在周期应力响应下的累积损伤计算式,并讨论了周期应力幅值和频率对累积损伤的影响,最后对某舰载发动机药柱进行了累积损伤及使用寿命分析。提出的累积损伤分析方法,为固体发动机贮存寿命预估提供了一条有益的技术途径。     

复合固体推进剂蠕变分析研究进展

从宏细观尺度通过实验测试、本构模型以及机理对复合固体推进剂的蠕变性能进行了分析,并总结了当前研究中的不足、解决方案以及需要进一步开展的研究.分析表明,蠕变加载过程中的恒定应力控制是目前研究中的难点,可以借鉴其他粘弹性材料的蠕变测试方法进行研究;固体推进剂蠕变过程中不同阶段的蠕变细观结构变化的观测方法虽然比较缺乏,但可以...     

材料性能对固体发动机结构完整性的影响

基于描述粘弹性材料特性的Burgers模型的本构关系以及基于该本构关系下的有限元方法 ,根据温度载荷和内压载荷的特点 ,分别建立了分析某固体发动机材料性能参数对结构完整性影响的有限元模型。应用MSC/NAS TRAN结构分析软件 ,详细分析了在温度和内压载荷作用下固体发动机材料性能参数对结构完整性的影响。在温度载荷的作用下 ,主要影响结构完整性的是推进剂的泊松比与热膨胀系数 ;在内压载荷作用下 ,主要影响结构完整性的是包覆层和推进剂的泊松比以及推进剂的初始模量。所得的结论可为固体发动机的生产设计提供参考     

怎样给火箭“加油”？

<正>火箭垂直转运至发射区,在完成火箭功能检查、联合测试工作以及最终确认状态后,就来到了发射前的最后一步——火箭推进剂加注,也就是我们通常所说的给火箭“加油”。推进剂,火箭的血液就像飞驰的汽车需要添加汽油燃料一样,火箭也需要添加自己的燃料,这种火箭专用的燃料被称为推进剂,推进剂按照状态分为固体推进剂和液体推进剂两大类。固体推进剂类似于烟花中所需的火药。固体推进剂因能量密度大,可以减小火箭尺寸等特点,它在出厂前就已经填充于火箭中,不需要在发射场临时加注,因而可大大缩短发射准备时间。固体推进剂一般多用于小型、快速发射的火箭以及大型运载火箭的助推级中。液体推进剂本身具有易燃易爆的危险,同时又具有流动性、易泄     

基于参数化建模的车轮形药柱形状优化

固体火箭发动机装药设计过程中,较高的装填分数往往导致药柱的应力应变较大,结构完整性不易满足要求,为了解决这一问题,将参数化建模方法与遗传算法相结合,对车轮形药柱进行形状优化.采用MSC.Patran软件的二次开发工具PCL (Patran Command Language)建立车轮形药柱的参数化有限元分析模型,能够根据...     

围压下固体推进剂的破坏机理分析

贴壁浇筑的固体发动机推进剂药柱在点火状态下处于三向围压状态,而环向承受拉应变,亟待对围压下推进剂的破坏机理展开研究。基于自研的围压加载试验系统,通过开展推进剂在不同围压、温度和应变率下的单轴拉伸试验来研究围压、温度和应变率的耦合作用对推进剂力学行为的影响。针对围压下推进剂的力学响应特征,通过细观力学仿真进一步研究围压下推进剂的破坏形式,同时借助电镜扫描试验分析推进剂试样断面的形貌特征,通过试验和仿真相结合的手段分析了围压下推进剂的破坏机理。研究结果表明,围压下推进剂的损伤界面显著减少,且随着围压载荷的逐渐增加,推进剂的损伤形式从以颗粒脱湿为主转变为以颗粒破碎为主。     

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。