某星管組合裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析

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(zhǎng)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(guó)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(guó)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。