振動載荷作用下的固體發(fā)動機應(yīng)力應(yīng)變場分析

梁平,盧洪義,曹翌軍,王鑫

(海軍航空大學(xué),山東 煙臺 264000)

振動載荷作用下的固體發(fā)動機應(yīng)力應(yīng)變場分析

梁平,盧洪義,曹翌軍,王鑫

(海軍航空大學(xué),山東 煙臺 264000)

針對固體發(fā)動機在低頻振動載荷作用下的影響分析,采用分布式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對發(fā)動機實際承受外在環(huán)境載荷進行監(jiān)測,獲得了環(huán)境實測載荷數(shù)據(jù);建立了固體發(fā)動機整體模型,對雙材料界面采用CZM界面單元模型,在實測載荷的基礎(chǔ)上對固體發(fā)動機進行了數(shù)值模擬,得到了發(fā)動機粘接界面層和裝藥內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變場分布.結(jié)果表明了固體發(fā)動機粘接界面層的應(yīng)力集中點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)動機裝藥內(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.

低頻振動載荷;固體發(fā)動機;應(yīng)力應(yīng)變場;CZM界面單元模型

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

國內(nèi)外在固體發(fā)動機的數(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)動機可能經(jīng)歷的環(huán)境條件,運用有限元Marc對該發(fā)動機裝藥在固化冷卻和常溫、低、高溫點火試車時的結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬,得出危險點位置,繼而進行完整性分析,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星型裝藥的應(yīng)力應(yīng)變場影響規(guī)律.

本文在基于實測振動載荷的基礎(chǔ)上,利用ABQUS有限元分析軟件計算了某型艦載導(dǎo)彈固體發(fā)動機在不同實測振動功率譜條件下的應(yīng)力場、應(yīng)變場和位移場,同時對裝藥和粘接系統(tǒng)的應(yīng)力集中點進行了分析.

1 物理模型

在運輸轉(zhuǎn)移和隨著艦艇巡航時,艦載導(dǎo)彈處于預(yù)發(fā)射狀態(tài),彈射系統(tǒng)對導(dǎo)彈的支撐是彈性支撐,能進行一定程度的減震,但正常情況下彈射系統(tǒng)對低頻、小振幅的載荷有一定的抗性,同時在艦艇巡航期間,貯運箱內(nèi)對艦載導(dǎo)彈有相對完善的固定設(shè)備,因此可以假設(shè)導(dǎo)彈隨艦航行期間,導(dǎo)彈與發(fā)射貯運箱保持相對靜止狀態(tài),最終經(jīng)過ABQUS軟件設(shè)計的發(fā)動機模型.

考慮計算量的問題,作出如下假設(shè).

(1)發(fā)動機裝藥、絕熱層和殼體的材質(zhì)分布均勻,除去人工脫粘層,其余各個粘接界面無裂紋存在.

(2)發(fā)動機各個部分受熱均勻,同時發(fā)射貯運箱內(nèi)流通空氣均質(zhì)和同溫.

(3)不考慮熱輻射問題,發(fā)動機與環(huán)境間只存在對流換熱.

2 材料屬性參數(shù)

本文某型艦載導(dǎo)彈發(fā)動機裝藥使用丁羥推進劑,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)試驗測得初始模量值為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)以及丁羥推進劑材料參數(shù)經(jīng)試驗測得如表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固體發(fā)動機模型進行網(wǎng)格劃分.為了適當?shù)臏p少網(wǎng)格的數(shù)量,縮短計算時長,對模型進行合理分割,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),同時對藥柱和襯層的粘接界面進行了網(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 場輸出結(jié)果及分析

振動載荷作用過程中52s時固體發(fā)動機粘接面層上的最大應(yīng)力σmax=172.3kPa,位置在發(fā)動機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)動機裝藥內(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)動機槽孔底部的星尖處.

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

5 歷程輸出結(jié)果及分析

為了更好地說明發(fā)動機粘接界面、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,同時在包覆套筒、星角和粘接層底部取了四個關(guān)鍵點,關(guān)鍵點A點是發(fā)動機的10342號節(jié)點,位置在裝藥頭部星尖與包覆套筒連接處,關(guān)鍵點B點是發(fā)動機的7511號節(jié)點,位置在裝藥中部的星角處,關(guān)鍵點C點是發(fā)動機的396號節(jié)點,位置在發(fā)動機尾部人工脫粘層與柱段連接處,關(guān)鍵點E點是發(fā)動機的954號節(jié)點,位置在發(fā)動機尾部人工脫粘層與柱段連接處,與關(guān)鍵點C點對稱分布,圖2為路徑和關(guān)鍵點位置的分布圖.

圖2 路徑及關(guān)鍵點分布圖

應(yīng)力的振動頻率遠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)來分析發(fā)動機的應(yīng)力應(yīng)變場,有限元在計算應(yīng)力應(yīng)變值時存在數(shù)值回歸計算,響應(yīng)值存在時間延遲;應(yīng)力值的峰值波動來源于輸入的振動載荷,四個關(guān)鍵點的歷程曲線相比較可以看出,C點的波動峰值最大,四個點的波動頻率基本一致,A點的整體波動性較為穩(wěn)定.

6 結(jié)語

通過本文的研究,可以得到以下結(jié)論.

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

(2)通過對固體發(fā)動機的應(yīng)力-應(yīng)變場分析,可以看出粘接面層應(yīng)力集中區(qū)域在發(fā)動機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)動機內(nèi)槽中部的星角位置,其應(yīng)力數(shù)值相對粘接面層的應(yīng)力數(shù)值較小,最大應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值為96.35kPa和2.37%.

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1671-0711(2017)11(下)-0131-02