帶藥纏繞復(fù)合殼體承壓特性分析*

林天一,鄭 慶,楊 明,江 真,王林祥

(上海航天動力技術(shù)研究所, 上海 201109)

0 引言

隨著戰(zhàn)術(shù)武器及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,導(dǎo)彈的輕質(zhì)化、高性能越來越受到重視。固體火箭發(fā)動機作為導(dǎo)彈的動力來源,其推進性能的發(fā)揮直接影響到導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能。以纖維纏繞復(fù)合殼體為代表的復(fù)合承壓結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)發(fā)動機消極質(zhì)量的大幅度下降,提高容積效率;同時可通過帶藥纏繞等形式實現(xiàn)藥柱結(jié)構(gòu)的多元化設(shè)計,提升發(fā)動機內(nèi)彈道性能。對常規(guī)復(fù)合殼體的線性、非線性強度設(shè)計與分析國內(nèi)已開展較多的研究工作[1-2],同時也建立了相應(yīng)的復(fù)合殼體優(yōu)化流程[3],開展了復(fù)合殼體承載力分析[4-6],但對于帶藥纏繞殼體由于芯模的特殊性,仍缺乏相應(yīng)的研究。

纖維纏繞復(fù)合殼體承壓性能與燃燒室工況及結(jié)構(gòu)存在密切關(guān)系,復(fù)合殼體、藥柱與絕熱層三者材料性能與結(jié)構(gòu)形式,對工作狀態(tài)下殼體性能發(fā)揮有明顯的作用,尤其是藥柱芯模,在纏繞階段由于纖維張力的存在使得芯模發(fā)生擠壓收縮,導(dǎo)致殼體成型尺寸存在偏差。文中通過對帶藥纏繞復(fù)合殼體內(nèi)壓結(jié)構(gòu)完整性分析,對比不同裝藥模量、肉厚條件下的復(fù)合殼體性能,為帶藥纏繞復(fù)合殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 研究對象

文中所研究對象為帶藥纏繞固體火箭發(fā)動機燃燒室殼體,重點研究殼體在不同藥柱條件下的結(jié)構(gòu)承壓特性,選用標(biāo)準(zhǔn)試驗發(fā)動機,即殼體前后對稱以保證柱段纏繞角恒定,其中藥柱芯模外徑Φ150 mm,根據(jù)網(wǎng)格分析方法開展殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計[7],纖維殼體壁厚1.62 mm,最大設(shè)計壓強20 MPa,筒段鋪層方案(±90°/±24°/+90°/±24°/±90°),筒段長度200 mm,藥柱內(nèi)孔直徑Φ33 mm,其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,各材料物性參數(shù)如表1所示。

圖1 帶藥纏繞復(fù)合殼體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 材料力學(xué)性能

考慮到芯模制備的工藝可行性,實際制備按分體結(jié)構(gòu)進行,該結(jié)構(gòu)外形與圖1設(shè)計方案保持一致。

2 結(jié)構(gòu)完整性分析

2.1 仿真分析

為分析帶藥纏繞復(fù)合殼體結(jié)構(gòu)完整性,進行以下假定:

1)不考慮各零件粘接面膠層厚度及層間相互作用;

2)絕熱層與藥柱均視為超彈性材料;

3)纖維層采用層合板理論進行有限元分析;

4)為避免對接面對殼體軸向的影響,僅考慮內(nèi)壓作用下筒段纖維層環(huán)向特性。

殼體最大設(shè)計壓強為20 MPa,為避免極限載荷帶來的殼體性能波動或損傷,選擇5 MPa與10 MPa兩個較低壓強值用于仿真模型校驗。仿真結(jié)果如表2與圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)完整性仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可見,帶藥纏繞復(fù)合殼體在5 MPa與10 MPa內(nèi)壓作用下結(jié)構(gòu)完整無異常。

2.2 液壓考核

對狀態(tài)殼體選用假藥進行制備(假藥除無法燃燒外,其力學(xué)性能與真藥一致),并對其進行液壓試驗考核,液壓試驗條件為:5 MPa條件下加載20 s,10 MPa條件下加載20 s,殼體無泄漏。同時對A點、B點進行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集,如圖3所示。

圖3 殼體制備與承壓試驗

殼體制備過程正常,殼體正常通過液壓試驗考核,無異常現(xiàn)象。共采集了A點、B點的0°、90°兩個位置環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù),如圖4與表3所示。

圖4 特征點環(huán)向應(yīng)變

表3 應(yīng)變測試結(jié)果 με

2.3 對比分析

由仿真及試驗結(jié)果可見,5 MPa與10 MPa條件下特征點位置環(huán)向應(yīng)變偏差僅為4.65%與2.94%。采用該靜力學(xué)分析模式,應(yīng)用上述假定通過有限元仿真形式,可較好表征帶藥纏繞復(fù)合殼體內(nèi)壓作用下的筒段殼體應(yīng)變等分布情況。

3 纖維層承載特性分析

3.1 絕熱層影響

圖1對應(yīng)模型絕熱層設(shè)計厚度為3 mm,藥柱與絕熱層一體成型,絕熱層的設(shè)計厚度主要與殼體熱防護特性相關(guān),為分析絕熱層與藥柱對殼體承載特性的影響,分別對純纖維層、纖維層+絕熱層、纖維層+絕熱層+藥柱進行10 MPa內(nèi)壓承載特性仿真。

仿真所用物性參數(shù)與表1一致,藥柱厚度為55.5 mm。仿真結(jié)果如圖5所示,以殼體左右對稱點(C點)為基準(zhǔn),分別取C點左側(cè)50 mm、右側(cè)50 mm纖維層環(huán)向應(yīng)變進行分析,如表4所示。

圖5 纖維層殼體環(huán)向應(yīng)變分布

表4 筒段纖維層環(huán)向應(yīng)變分布 με

由圖5及表4可見,3 mm厚絕熱層在10 MPa條件下對筒段纖維層環(huán)向應(yīng)變僅產(chǎn)生約17 με(0.25%)的影響,而裝藥約產(chǎn)生1 377 με(24.9%)的影響,故可認(rèn)為該狀態(tài)絕熱層對纖維層承載特性影響極小,可將其忽略,藥柱對纖維層承載特性存在較大影響,環(huán)向應(yīng)變減少可達24.9%。

3.2 藥柱模量影響

為進一步分析藥柱模量對纖維性能的發(fā)揮率影響,在上述有限元分析模型基礎(chǔ)上對圖1對應(yīng)模型進行有限元仿真,在內(nèi)壓10 MPa、藥柱肉厚55.5 mm條件下,仿真結(jié)果如表5與圖6所示。

表5 C點(0 mm)位置不同藥柱模量影響

由仿真結(jié)果分析可得纖維層中心處應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)變及徑向位移滿足:

y=a(x1-b)c

(1)

殼體徑向位移Δx與藥柱模量E滿足式(1)曲線變化規(guī)律,應(yīng)力σ與環(huán)向應(yīng)變ε均滿足式(1)的規(guī)律,且與徑向位移成比例關(guān)系。工程上藥柱模量一般為5～30 MPa,故環(huán)向應(yīng)力范圍為504～628 MPa,應(yīng)變范圍為5 114～6 364 με,徑向位移范圍0.39～0.48 mm。同時,由表5與圖6可知,當(dāng)藥柱模量超過400 MPa左右時,殼體環(huán)向應(yīng)變與徑向位移變化波動趨于平緩。

圖6 不同藥柱模量對應(yīng)纖維層殼體環(huán)向應(yīng)變與徑向位移

3.3 藥柱肉厚影響

為進一步分析藥柱模量對纖維性能的發(fā)揮率影響,在上述有限元分析模型基礎(chǔ)上對圖1對應(yīng)模型進行有限元仿真,在內(nèi)壓10 MPa、藥柱模量20 MPa條件下,仿真結(jié)果如表7與圖7所示。

表6 參數(shù)(a,b,c)擬合結(jié)果

表7 C點(0 mm)位置不同藥柱肉厚影響

圖7 不同藥柱肉厚對應(yīng)纖維層殼體環(huán)向應(yīng)變與徑向位移

由仿真結(jié)果分析可得纖維層中心處應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)變及徑向位移滿足:

y=y0+AeR0x2

(2)

殼體Δx與藥柱肉厚x滿足指數(shù)型變化規(guī)律,σ與ε均滿足此規(guī)律,且與Δx成比例關(guān)系。由表6與表8可見當(dāng)纖維材料處于彈性區(qū)時,筒段σ數(shù)值上約為Δx的1 293倍,ε約為Δx的13 105倍,均呈現(xiàn)線性關(guān)系。對于采用藥柱芯模的殼體在纏繞階段可結(jié)合張力,平衡內(nèi)壓狀態(tài)所產(chǎn)生的殼體徑向位移。

表8 參數(shù)(y0,A,R0)擬合結(jié)果

3.4 承壓特性分析

實際工況條件下,對于內(nèi)孔燃燒藥柱,呈現(xiàn)增面燃燒效果,對于圖1對應(yīng)模型進行0維內(nèi)彈道計算,所得Pc-t曲線如圖8所示,最大壓強10 MPa,工作時間3.26 s。由圖4及表3可知,在殼體無破壞情況下,內(nèi)壓與殼體應(yīng)變呈線性關(guān)系。故對于內(nèi)孔型藥柱,隨著藥面的燃燒,內(nèi)壓不斷增大,當(dāng)工作時間達3.1 s時達最大工作壓強,此時筒段藥柱剩余肉厚為3 mm,由式(2)可知此時C點應(yīng)力為678.7 MPa,當(dāng)工作時間超過3.1 s后內(nèi)壓下降,由式(2)可知此時C點最大應(yīng)力未超過679 MPa。

對比圖8所示Pc-t曲線,筒段殼體在大部分工作時間內(nèi)工作壓強均低于9 MPa,僅有約0.65 s左右超過 9 MPa,殼體徑向位移僅在3.1 s附近達到極值,約為0.526 mm。

圖8 Pc-t曲線

故可通過內(nèi)彈道曲線,結(jié)合藥柱結(jié)構(gòu)特性,預(yù)示纖維層筒段應(yīng)力、應(yīng)變與變形,用于優(yōu)化筒段纖維層厚度,減少殼體設(shè)計裕度,提高設(shè)計精準(zhǔn)性。

此外,為保證發(fā)動機工作狀態(tài)殼體最大外徑,可采用彈性模量芯模,并結(jié)合張力制度適當(dāng)增大各層纏繞張力,平衡殼體制造狀態(tài)與工作狀態(tài)的變形波動,以避免殼體變形引起的外徑超差。

4 結(jié)論

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗發(fā)動機建立了纖維纏繞復(fù)合殼體靜態(tài)內(nèi)壓承載結(jié)構(gòu)完整性分析模型,可準(zhǔn)確預(yù)示不同內(nèi)壓狀態(tài)殼體的承載情況。

對藥柱在不同模量與不同藥柱肉厚條件下對纖維纏繞復(fù)合殼體承壓特性的影響進行了詳細分析,結(jié)果表明對于Φ150 mm直徑帶藥纏繞復(fù)合殼體,絕熱層在較薄條件下對筒段纖維層典型應(yīng)變無明顯作用;隨著藥柱模量的增加筒段纖維層應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)變與徑向位移減少呈現(xiàn)式(1)曲線變化規(guī)律,隨著藥柱厚度的減少筒段纖維層應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)變與徑向位移增加呈現(xiàn)指數(shù)型變化規(guī)律;σ數(shù)值上約為Δx的1 293倍,ε約為Δx的131 05倍,均呈現(xiàn)線性關(guān)系。

可通過內(nèi)彈道曲線,結(jié)合藥柱結(jié)構(gòu)特性,預(yù)示纖維層筒段應(yīng)力、應(yīng)變與變形,用于優(yōu)化筒段纖維層厚度,進一步減少殼體消極質(zhì)量,提高設(shè)計精準(zhǔn)性。同時,為保證發(fā)動機工作狀態(tài)殼體最大外徑,可采用高彈性芯模,結(jié)合張力制度適當(dāng)增大各層纏繞張力,平衡殼體制造狀態(tài)與工作狀態(tài)的變形波動,以避免殼體變形引起的外徑超差。