低溫沖擊載荷下下發(fā)動機推進劑裝藥力學響應分析

彭超

摘要：運用線性粘彈性理論和有限元方法，對星形裝藥發(fā)動機進行低溫沖擊數(shù)值仿真。分析了推進劑應力應變場的分布規(guī)律，研究了長徑比對裝藥力學響應的影響。結(jié)果表明，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相符，裝藥危險點在推進劑兩端與絕熱層粘結(jié)處和裝藥內(nèi)孔中間部位星尖圓弧處，危險點處的應力應變隨長徑比的增大而增大。

關鍵詞：溫度沖擊；固體火箭發(fā)動機；推進劑裝藥；應力應變

1引言

本文運用線性粘彈性理論，采用ABAQUS通用有限元軟件建立了星形裝藥固體火箭發(fā)動機三維有限元模型，對貼壁澆注固體火箭發(fā)動機在溫度沖擊條件下的力學響應進行了數(shù)值模擬，分析了推進劑應力應變場的分布規(guī)律，研究了長徑比和星尖圓弧半徑r對裝藥力學響應的影響，并將數(shù)值仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對比驗證。

2發(fā)動機有限元模型的建立

2.1發(fā)動機有限元模型

發(fā)動機長徑比取L/D=1，建立發(fā)動機的1/10三維有限元模型，推進劑和絕熱層采用C3D8HT單元，發(fā)動機殼體采用C3D8RT單元。由于在過度圓弧處容易出現(xiàn)應力應變集中，在劃分單元時對星尖圓弧和星根圓弧處進行加密處理。如圖1所示。

2.2材料屬性

固體火箭發(fā)動機殼體采用鋼結(jié)構(gòu)，藥柱為HTPB復合推進劑，絕熱層視為粘彈性材料，除密度、導熱系數(shù)和比熱外，其他物性參數(shù)與推進劑裝藥相同。材料具體參數(shù)見文獻。

2.3邊界條件

殼體與絕熱層，絕熱層與推進劑裝藥分別相互粘結(jié)，對稱約束施加于發(fā)動機模型的對稱面上。

3溫度載荷加載及結(jié)果分析

3.1溫度沖擊載荷

溫度沖擊前，固體火箭發(fā)動機置于15℃均勻溫度場中。調(diào)溫階段，發(fā)動機周圍的環(huán)境溫度在120分鐘內(nèi)由原來的15℃升高至50℃，并在該溫度下保持40個小時；緊接著進行低溫沖擊，環(huán)境溫度在5分鐘之內(nèi)迅速地降低至-40℃，并保持40個小時。

3.2計算結(jié)果及分析

溫度沖擊過程中，溫度的不均勻分布，直接導致裝藥內(nèi)部熱應力與熱應變的產(chǎn)生。高溫沖擊的溫度接近于推進劑裝藥的零應力溫度，裝藥在高溫沖擊下的應力應變都要比低溫沖擊時小很多。在分析推進劑應力應變分布時，應該重點關注低溫沖擊時的應力應變響應。

星形裝藥在低溫沖擊不同時刻的Mises應力分布云圖如圖2所示。在低溫沖擊過程中，推進劑與絕熱層粘結(jié)面處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。雖然圖中可以看出低溫沖擊40小時后的最大Mises應力不是發(fā)生在粘結(jié)面處，但是粘結(jié)面處如果出現(xiàn)過大應力，容易導致脫粘，因此對粘結(jié)面處的應力集中仍然需要足夠的重視。

星形裝藥在低溫沖擊不同時刻的環(huán)向應變分布云圖如圖3所示。由圖容易看出，低溫沖擊過程中，在推進劑裝藥內(nèi)孔中間部位星尖圓弧處出現(xiàn)較大的應變集中，即最大環(huán)向應變總是處于內(nèi)孔中間星尖圓弧處。如果此處環(huán)向應變過大，容易導致裝藥內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，從而破壞發(fā)動機的完整性和工作可靠性。

4試驗驗證

星根圓弧處的軸向位移仿真結(jié)果與溫度沖擊試驗測量結(jié)果對比如表1所示。

由表3還可以看出，低溫沖擊下裝藥位移與試驗位移測量結(jié)果相對誤差均在10%以內(nèi)，由此可以推斷，用線性粘彈性模型對星形HTPB復合推進劑裝藥在溫度沖擊下的力學響應進行數(shù)值仿真是可行的，仿真結(jié)果與試驗測量結(jié)果相符。

5長徑比對裝藥力學響應的影響

為了研究長徑比L/D對星形裝藥力學響應的影響，分別對長徑比L/D=1、2、3、4和5的星形裝藥發(fā)動機進行溫度沖擊數(shù)值仿真。最大Mises應力和最大環(huán)向應變隨長徑比UD變化曲線分別如圖4和圖5所示。

由圖4可以看出當長徑比L/D≤3時，最大Mises應力隨著長徑比的增大而顯著增大，增但是增大幅度逐漸減小；當L/D>3時，最大Mises應力基本不變。長徑比從1增大到5時，最大Mises應力增大約12.9%。由圖5可以看出，長徑比對最大環(huán)向應變影響較大。在長徑比不斷增大的過程中，最大環(huán)向應變隨之增大，但增大幅度逐漸減小。長徑比從1增大到5時，最大環(huán)向應變增大了約4%。可見，長徑比是影響星形裝藥應力應變分布的重要因素，合理設計發(fā)動機長徑比有助于減小出現(xiàn)脫粘和裂紋的風險。

6結(jié)論

經(jīng)過對貼壁澆注固體火箭發(fā)動機在溫度沖擊載荷條件下力學響應研究，獲得如下結(jié)論：

（1）數(shù)值仿真的結(jié)果與溫度沖擊試驗結(jié)果相符；

（2）星形裝藥在低溫沖擊條件下的危險點在推進劑兩端與絕熱層粘結(jié)