水反應金屬燃料發動機藥柱結構完整性分析

王志龍, 韓新波, 喬 宏, 尹韶平, 韓 艾, 雷 鳴

水反應金屬燃料發動機藥柱結構完整性分析

王志龍1, 韓新波1, 喬 宏1, 尹韶平1, 韓 艾2, 雷 鳴2

(1. 中國船舶集團有限公司 第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 西北工業大學 航天學院, 陜西西安, 710072)

為研究魚雷水反應金屬燃料發動機高夾雜比燃料藥柱在局部限位條件下的結構完整性問題, 開展了燃料藥柱試樣力學性能試驗, 獲得了藥柱力學性能參數。在有限元軟件中建立了燃料藥柱試樣的數值分析模型, 進行了藥柱試樣的力學性能仿真, 通過仿真結果和試驗結果的對比, 驗證了所建立的藥柱力學本構模型的合理性。利用該力學本構模型對水反應金屬燃料發動機中燃料藥柱的結構完整性進行了仿真分析,得到了燃料藥柱的力-位移曲線、應力分布云圖以及位移云圖,仿真結果表明, 燃料藥柱在典型工況下未發生破壞,徑向和軸向的變形程度符合發動機整體結構要求。

魚雷; 水反應金屬燃料發動機; 燃料藥柱結構完整性; 有限元分析

0 引言

動力系統是魚雷的主要組成部分, 它對魚雷的航速、航程、航深、可靠性及成本起著決定性作用[1]。由于海水具有高密度特性, 魚雷受到的阻力為空中飛行器的800多倍, 使得航速和航程成為常規動力魚雷技術發展的“軟肋”[2]。水反應金屬燃料發動機是超高速魚雷的主發動機, 具有比沖高、推力大的特點[3], 可以有效提高魚雷的航速[4]。水反應金屬燃料發動機所使用的燃料不同于固體火箭發動機的推進劑[5], 該燃料金屬含量極高, 氧化劑和粘合劑含量很少, 粘性特性不明顯[6], 屬于高夾雜比貧氧燃料, 成型方法與傳統的復合推進劑以及雙基推進劑均不相同, 力學性能目前尚未有深入研究。

在水反應金屬燃料發動機中, 燃料藥柱受力條件惡劣, 不僅要承受點火時的壓強載荷, 還要承受活塞和局部限位擋塊的擠壓作用。設計時需要對燃料藥柱進行結構完整性分析[7], 計算燃料藥柱在工作載荷下的力學響應, 獲取藥柱發生破壞時的載荷極限以及徑向位移量, 評價其工作的可靠性, 保證其內部或表面不產生裂紋破壞、不出現藥柱與發動機殼體接觸等現象。若出現裂紋破壞, 燃料藥柱的燃面會突然增大, 導致發動機的內壓急劇上升, 造成推力特性畸形甚至爆炸等嚴重后果[8]。

燃料藥柱力學性能和本構模型的研究是發動機藥柱結構完整性評估的基礎。目前, 國內外學者對傳統固體火箭發動機藥柱結構完整性分析進行了大量的研究, 此類藥柱由于粘合劑組分含量高, 呈現出明顯的粘彈塑特性[9]。申志彬[10]、李磊[11]等采用三維粘彈性有限元法分析了傘盤結構位置對燃料藥柱結構完整性的影響; 檀葉[12]、溫瑞珩[13]等基于粘彈性本構關系分析得到了套管裝藥發動機工作時最危險部位的應力分布; Chyuan[14-15]采用粘彈性模型分析了均布內壓載荷作用下, 材料參數對燃料藥柱結構完整性的影響。而對于高夾雜比貧氧燃料藥柱結構完整性分析目前卻少有公開報道。

文中針對高夾雜比貧氧燃料藥柱結構完整性問題, 開展力學性能試驗, 采用數字圖像相關法(digital image correlation, DIC)技術進行了燃料藥柱試樣損傷狀態監測, 利用商用有限元軟件對發動機中的燃料藥柱結構完整性進行了仿真分析, 得到典型工況下燃料藥柱的力-位移曲線、應力云圖以及位移云圖, 對燃料藥柱的結構完整性進行了評估。

1 推進劑材料力學本構模型

1.1 彈-塑-脆性力學本構模型

圖1 彈-塑-脆性本構模型

1.2 剪切損傷理論

其中

2 抗壓試驗與驗證

2.1 試驗方案與結果分析

參照GJB770B-2005《火藥試驗方法》中的抗壓強度壓縮法, 采用萬能試驗機以3 mm/min的恒定加載速率對30 mm×30 mm的燃料藥柱試樣施加載荷, 在加載過程中為了保證燃料藥柱試樣所受壓力方向與其幾何中心線同軸, 需要確保萬能試驗機壓頭、燃料藥柱試樣以及放置試樣的圓盤同心。靜態壓縮試驗裝置與燃料藥柱試樣如圖2所示。

圖2 燃料藥柱壓縮試樣及試驗裝置

通過計算機采集并記錄燃料藥柱試樣在壓縮過程中所受壓力以及軸向位移的大小, 獲得燃料藥柱試樣一維軸向的力-位移曲線, 如圖3所示。

圖3 試驗測量的力-位移曲線

從圖3可以看出, 在燃料藥柱試樣加載的初始階段, 材料尚處于彈性變形階段, 力-位移曲線基本呈線性變化趨勢; 此后, 隨著載荷量的增大, 材料發生了塑性變形, 力-位移曲線也呈現非線性變化的趨勢, 一直持續到該燃料藥柱試樣所能承受的最大壓力43 kN, 此時萬能試驗機壓縮裝置的位移量約為1.1 mm。若繼續對燃料藥柱試樣施加位移載荷, 力-位移曲線就呈下降趨勢, 這表明燃料藥柱試樣此時已經開始發生損傷破壞, 其內部或表面已產生裂紋。

2.2 材料參數

燃料藥柱試樣為各向同性的均質材料, 通過力學性能試驗和DIC技術, 獲得的藥柱材料參數如表1所示。

表1 材料參數列表

2.3 力學本構模型驗證

為了保證燃料藥柱力學本構模型選取的合理性, 首先需要采用該模型對燃料藥柱試樣進行仿真計算, 并比較試樣的仿真結果和試驗結果, 驗證力學本構模型的合理性。在有限元分析軟件中建立燃料藥柱試樣受壓的物理模型, 并對其進行網格劃分, 如圖4所示。將萬能試驗機上下壓頭視為剛體部件。燃料藥柱試樣共劃分為71 036個六面體單元。

圖4 燃料藥柱試樣三維有限元模型

2.4 結果對比

將燃料藥柱試樣試驗得到的力-位移曲線和基于本構模型仿真得到的力-位移曲線進行對比, 如圖5所示。可以看出, 在壓縮速率恒定的條件下, 仿真和試驗結果在燃料藥柱試樣發生損傷前的彈塑性階段比較吻合, 均在點達到了最大承載壓力, 約43 kN; 在點以后, 由于燃料藥柱試樣開始發生損傷, 力-位移曲線呈現明顯的下降趨勢。為了保證水反應金屬燃料發動機工作的可靠性, 需要確保燃料藥柱所承受的最大壓力不大于點處的壓力值, 下降階段并不代表研究中燃料藥柱的主要力學特性, 所以可不考慮點以后燃料藥柱的受力情況。從整體趨勢來看, 仿真和試驗結果基本吻合, 說明了本構模型的適用性。

圖5 試驗和本構模型仿真結果對比

圖6為DIC檢測得到的燃料藥柱試樣破壞模式, 可以看出, 燃料藥柱試樣中間部位的應力值明顯低于其他部位, 剪切帶方向與水平方向間的夾角約為45°。

圖7展示了燃料藥柱試樣在壓縮過程中4個典型時刻的應力分布云圖。通過對比圖7(a)和(b)可看出, 在以3 mm/min的恒定加載速率對燃料藥柱進行加載時, 當加載時間達到32.42 s, 燃料藥柱試樣中間部位的應力值出現明顯下降, 表明該部位已發生損傷。根據損傷帶的形狀可判定燃料藥柱試樣的破壞形式為剪切損傷; 若繼續施加載荷, 當加載時間為32.47 s時, 由圖7(c)可看出, 此時燃料藥柱試樣中間一部分單元已被刪除, 出現了明顯的宏觀裂紋, 該位置的應力值也因此急劇下降, 裂紋方向與水平方向間的夾角約45°; 為了研究損傷的發展, 進一步加載, 由圖7(d)可看出, 圖7(c)中出現的裂紋沿著45°方向繼續擴展, 直至整個燃料藥柱試樣完全破壞, 這與圖6的試驗結果一致。綜上可以證明燃料藥柱力學本構模型選擇是合理的。

圖6 燃料藥柱試樣破壞模式

圖7 加載過程中不同時刻應力云圖

3 發動機內燃料藥柱結構完整性分析

3.1 幾何模型與網格劃分

采用上述力學本構模型對210 mm口徑水反應金屬燃料發動機中的燃料藥柱結構完整性進行仿真分析。燃料藥柱置于活塞和限位擋塊之間, 一端受到活塞的推動, 另一端局部受到限位擋塊的擠壓, 限位擋塊為8個大小相同的圓柱體結構, 其余部分受到燃氣壓強作用。由于燃料藥柱是軸對稱結構, 為了提高網格劃分質量, 加快仿真計算速度, 根據對稱性準則, 把燃料藥柱均勻地分成完全對稱的8等份, 每一份的夾角為45°, 取其中的一份建立三維有限元計算模型, 并在模型的一側施加對稱邊界條件。對整個模型進行網格劃分, 考慮到限位擋塊與燃料藥柱的接觸, 對該區域附近劃分了更細的網格。建立了燃料藥柱三維局部有限元模型, 燃料藥柱劃分成453 219個六面體單元, 如圖8所示。

圖8 燃料藥柱三維局部有限元模型

3.2 載荷與邊界條件

由于限位擋塊與發動機殼體相連, 且擋塊的剛度遠遠大于燃料藥柱的剛度, 在仿真中給擋塊施加剛體約束和完全固定約束, 限制其6個方向的自由度。發動機工作時, 在流體動壓作用下, 活塞一端會受到水的壓強作用, 達到額定工況后, 活塞對燃料藥柱的作用力為101.8 kN, 同時燃料藥柱其他方向受到3 MPa的燃氣壓強。針對此工況, 對活塞一側的燃料藥柱端面施加大小為101.8 kN的壓力, 對擋塊一側的端面和燃料藥柱周向施加大小為3 MPa的均布壓強。

3.3 計算結果分析

通過仿真計算, 得到了燃料藥柱的力學響應特性。圖9反映了燃料藥柱在整個加載過程中的力-位移變化情況, 可以看出該曲線尚未出現下降階段, 說明燃料藥柱在該典型工況下只發生了彈塑性變形, 其內部或表面沒有產生裂紋破壞, 滿足結構完整性要求。

圖9 燃料藥柱力-位移曲線

圖10反映了燃料藥柱的應力分布情況, 從圖中可以明顯看出, 在燃料藥柱與擋塊接觸區域會產生應力集中現象, 且燃料藥柱與擋塊接觸區域內側邊緣處的應力值大于外側邊緣處的應力值。為減小此處的應力值, 在發動機結構允許的條件下, 可增加擋塊與燃料藥柱接觸面積。在軸向上, 活塞附近區域的燃料藥柱和擋塊附近區域的燃料藥柱所受到的應力均比燃料藥柱中間部位所受到的應力大, 活塞附近區域的燃料藥柱應力值大約為1 MPa, 擋塊附近區域的燃料藥柱應力值大約為2～4 MPa, 這主要是由于擋塊附近區域的燃料藥柱存在應力集中。

圖11和圖12分別反映了燃料藥柱徑向和軸向的變形情況, 由圖11可知燃料藥柱由于周向受到了燃氣的壓強作用, 整體的徑向尺寸變小, 在遠離擋塊附近區域的燃料藥柱均處于收縮狀態, 最大徑向收縮量為0.078 3 mm。與燃料藥柱所受最大應力位置相同, 燃料藥柱的徑向最大擴張量出現在了其與擋塊接觸區域內側邊緣處, 大小為0.0271 mm, 遠小于燃料藥柱和發動機殼體內表面的間隙, 兩者不會發生接觸; 由圖12可以看出燃料藥柱由于受到活塞和擋塊的擠壓作用, 在軸向上整體處于壓縮狀態, 在燃料藥柱與擋塊接觸區域, 燃料藥柱軸向位移量達到最大值0.023 mm, 相對于燃料藥柱實際的運動路程可忽略不計。綜上所述, 在此典型工況下, 該燃料藥柱滿足結構完整性要求。

圖10 燃料藥柱應力分布云圖

圖11 燃料藥柱徑向位移分布云圖

圖12 燃料藥柱軸向位移分布云圖

結束語

文中對燃料藥柱試樣進行了壓縮試驗和DIC損傷監測, 獲得了材料的基本參數以及破壞模式; 根據所選的力學本構模型對燃料藥柱試樣的壓縮過程進行了仿真計算, 通過試驗結果和仿真結果的對比, 驗證了燃料藥柱力學本構模型選擇的合理性, 為水反應金屬燃料發動機內燃料藥柱結構完整性分析提供了理論依據。

對典型工況下燃料藥柱結構完整性進行了分析, 仿真結果表明燃料藥柱在該典型工況下不會發生破壞, 燃料藥柱徑向和軸向的變形程度符合發動機整體結構要求。由于應力集中現象的存在, 燃料藥柱最大應力和最大徑向位移均出現在了燃料藥柱與擋塊接觸區域內側邊緣處。

[1] 查志武, 史小鋒, 錢志博. 魚雷熱動力技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006.

[2] 張亞俊, 王祎, 李吉禎, 等. 高速魚雷水沖壓發動機用金屬/水反應燃料研究進展[J]. 四川兵工學報, 2013, 34 (5): 123-126.

Zhang Ya-jun, Wang Yi, Li Ji-zhen, et al. Review on the Hydroreactive Metal Fuel Used in Water Ramjet Engine of High Speed Torpedo[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2013, 34(5): 123-126.

[3] 晁侃, 牛楠, 陸賀建. 一次水燃比對高金屬含量鎂基推進劑水沖壓發動機比沖性能影響分析[J]. 水下無人系統學報, 2017, 25(1): 52-56.

Chao Kan, Niu Nan, Lu He-jian. Effect of Primary Water-to-fuel Ratio on Specific Impulse Performance of Water Ramjet with High Metal Content Propellant[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2017, 25(1): 52-56.

[4] 黃海濤. 高能鎂基水反應金屬燃料推進劑研究[D]. 北京: 北京理工大學, 2015.

[5] Ozerov E S, Yurinov A A. Combustion of Particlesof Aluminum-magnesium Alloys in Water Vapor[J]. Com- bustion Explosion and Shock Waves, 1977, 13(6): 778- 780.

[6] 趙衛兵, 史小鋒, 伊寅, 等. 水反應金屬燃料在超高速魚雷推進系統中的應用[J]. 火炸藥學報, 2006(5): 53-56.

Zhao Wei-bing, Shi Xiao-feng, Yi Yin, et al. Application of Hydroreactive Metal Fuel in Super-Cavitation Torpedo Propulsion System[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2006(5): 53-56.

[7] 鮑福廷, 侯曉. 固體火箭發動機設計[M]. 第1版. 北京: 中國宇航出版社, 2016.

[8] 宋仕雄. 低溫點火狀態下固體發動機藥柱結構完整性分析[D]. 西安: 航天動力技術研究院, 2018.

[9] 王哲君, 強洪夫, 王廣, 等. 固體推進劑力學性能和本構模型的研究進展[J]. 含能材料, 2016, 24(4): 403-416.

Wang Zhe-jun, Qiang Hong-fu, Wang Guang, et al. Review on the Mechanical Properties and Constitutive Models of Solid Propellants[J]. Chinese Journal of Energetic Materials,2016, 24(4): 403-416.

[10] 申志彬, 姜人偉, 職世君. 傘盤結構對大長徑比發動機藥柱結構完整性的影響[J]. 國防科技大學學報, 2017, 39(1): 148-152.

Shen Zhi-bin, Jiang Ren-wei, Zhi Shi-jun. Effects of Umbrella Slot on the Structure Integrity of Solid Rocket Motor Grain with Large Aspect Ratio[J]. Journal of National University of Defense Technology,2017, 39(1): 148-152.

[11] 李磊, 唐國金, 雷勇軍, 等. 固體火箭發動機藥柱傘盤結構應力應變分析[J]. 推進技術, 2008(4): 477-480, 507.

Li Lei, Tang Guo-jin, Lei Yong-jun, et al. Stress and Strain Analysis for the Umbrella Slot Configuration of Solid Rocketmotor Grain[J]. Tactical Missile Technology, 2008(4): 477-480, 507.

[12] 檀葉, 陳科. 套管裝藥發動機藥柱結構完整性分析[J].戰術導彈技術, 2018(5): 90-94.

Tan Ye, Chen Ke. Analysis of Structural Integrity for the Canular Solid Rocket Motor Grainl[J]. Tactical Missile Technology, 2018(5): 90-94.

[13] 溫瑞珩, 李健. 固體火箭發動機結構破壞分析[J]. 戰術導彈技術, 2019(3): 88-93.

Wen Rui-heng, Li Jian. Structural Failure Analysis of Solid Rocket Engine[J]. Tactical Missile Technology, 2019(3): 88-93.

[14] Chyuan S W. Dynamic Analysis of Solid Propellant Grains Subjected to Ignition Pressurization Loading[J]. Journal of Sound & Vibration, 2003, 268(3): 465-483.

[15] Chyuan S W. Studies of Poisson’s Ratio Variation for Solid Propellant Grains under Ignition Pressure Loading[J]. International Journal of Pressure Vessels & Piping, 2003, 80(12): 871-877.

[16] 朱浩, 朱亮, 呂先鋒, 等. 鋁合金薄壁擠壓管在準靜態和動態載荷下的有限元模擬[J]. 蘭州理工大學學報, 2007(2): 34-38.

Zhu Hao, Zhu Liang, Lü Xian-feng, et al. FEM Simulation of Thin-wall Aluminum Extruded Tubes under Quasi-static and Dynamic Loads[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2007(2): 34-38.

[17] 張學廣, 劉純國, 鄭愿, 等. 基于延性損傷和剪切損傷的鋁合金成形極限預測[J]. 吉林大學學報(工學版), 2016, 46(5): 1558-1566.

Zhang Xue-guang, Liu Chun-guo, Zheng Yuan, et al. Forming Limit Prediction of Aluminum Alloy Based on Ductile Damage and Shear Damage[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2016, 46(5): 1558-1566.

Analysis of Structural Integrity for the Hydro-reactive Metal Fuel Motor Grainl

WANG Zhi-long1, HAN Xin-bo1, QIAO Hong1, YIN Shao-ping1, HAN Ai2, LEI Ming2

(1.The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China,2. School of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

To study the structural integrity of a high-inclusion ratio grainl for a torpedo hydro-reactive metal fuel motor under local limit conditions, the mechanical properties of the grainl sample are tested, and the mechanical parameters are obtained. The numerical analysis model for the grainl sample is established using finite element software, and the simulation results are compared with the test results, which verified the rationality of the established constitutive model of grainl. The structural integrity of the hydro-reactive metal fuel motor grainl is analyzed using the constitutive model, and the force displacement curve, stress distribution, and displacement contour of the grainl are obtained. The simulation results indicate that the grainl is not damaged under typical working conditions, and the radial and axial deformation of the grainl can meet the requirements of the structure for a hydro-reactive motor.

torpedo; hydro-reactive metal fuel motor; structural integrity for grainl; finite element analysis

TJ630.32; TQ56

A

2096-3920(2021)06-0695-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.008

王志龍, 韓新波, 喬宏, 等. 水反應金屬燃料發動機藥柱結構完整性分析[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(6): 695-701.

2021-05-28;

2021-07-20.

國家自然科學基金重大項目(52090051).

王志龍(1996-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為能源動力推進技術.

(責任編輯: 楊力軍)