粘弹性界面断裂与固体火箭发动机界面脱粘研究

论文题目: 粘弹性界面断裂与固体火箭发动机界面脱粘研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 力学

作者: 刘甫

导师: 周建平

关键词: 固体火箭发动机,固体推进剂,粘弹性,界面脱粘,界面裂纹,断裂损伤,有限元法,界面元法,对流燃烧,内弹道

文献来源: 国防科学技术大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在固体火箭发动机结构完整性分析中,衬层/推进剂药柱粘接界面的脱粘是完整性被破坏的关键形式之一。导致固体火箭发动机界面脱粘的原因包含物理的和化学的两个方面,在各种工况载荷作用下发动机界面附近的应力集中及材料损伤是产生脱粘的主要物理原因。发动机点火后燃气进入脱粘腔,使脱粘腔变形并获得额外的燃烧面积,从而导致更强的载荷。这种正反馈可能使脱粘面进一步扩展,导致出现燃烧室压力失控甚至发动机爆炸的灾难性后果。因此,研究固体火箭发动机界面脱粘的机理和扩展规律,是固体火箭发动机结构完整性分析的重要课题。由于固体火箭发动机的推进剂药柱是一种粘弹性材料,衬层和绝热层也具有粘弹性性质,因此其界面脱粘问题实际上是弹性-粘弹性或双粘弹性各向同性材料界面裂纹问题,对该问题的研究涉及到粘弹性力学、界面断裂力学和燃烧学等相关学科。本文研究了适合于固体火箭发动机界面脱粘分析的数值方法。基于粘弹性积分型本构关系,建立了粘弹性增量有限元。将界面元引入粘弹性分析,建立了粘弹性增量界面元列式。为充分利用界面元法应力精度高、有限元法适用范围广的优点,还建立了分区界面元-有限元法列式,为粘弹性界面断裂力学分析奠定了方法基础。结合算例说明了该方法在固体火箭发动机结构完整性分析中的适用性。研究了粘弹性界面断裂的性质和断裂参量的计算方法。对本构关系由Prony级数描述的含界面裂纹的双粘弹性材料无限大板,分别研究了受Ⅰ、Ⅱ型混合外载及Ⅲ型外载的情况,用Laplace变换将其时域基本方程变换到频域,根据对应原理,将粘弹性常数代入弹性解,得到频域中的粘弹性解。采用修正的Durbin数值反变换,得到了离散的时域解。计算表明,粘弹性界面裂纹的断裂参量表现为时间相依性,粘弹性界面裂纹的扩展一般为延迟失稳。在裂纹问题的数值研究中,为了提高计算精度、减轻计算工作量,构造了粘弹性相似界面单元,利用裂尖附近相似单元刚度阵相似的特点,采用聚缩法形成裂尖超级单元。算例表明该方法能很好的用于粘弹性界面裂纹的断裂分析。建立了同时考虑界面层损伤和界面两侧两相粘弹性材料损伤的界面元模型。对于该模型中的界面层,其本构关系由内聚力模型给出。其损伤由界面法向、切向的相对位移及其对应的临界值所决定。对于两侧的两相材料损伤则根据不同的材料性质由相应的损伤演化方程给出。固体推进剂药柱这类高聚合物的损伤由其银纹区的损伤演化

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 界面裂纹的研究概况

1.3 固体火箭发动机界面脱粘的研究进展

1.4 本文的研究内容和方法

第二章固体火箭发动机的界面脱粘基本问题

2.1 引言

2.2 固体火箭发动机界面脱粘的原因

2.2.1 发动机所受载荷对脱粘的影响

2.2.2 推进剂的老化、化学迁移及晶析对脱粘的影响

2.2.3 缓解脱粘的主要措施

2.3 推进剂界面燃烧脱粘的基本耦合过程

2.4 小结

第三章界面脱粘结构分析的增量数值方法

3.1 粘弹性增量有限元法

3.1.1 粘弹性积分型本构方程

3.1.2 粘弹性增量有限元列式

3.2 粘弹性增量界面元法

3.2.1 界面元模型

3.2.2 粘弹性增量界面元列式

3.3 界面元与有限元的组合

3.4 考虑变温的粘弹性增量界面元列式

3.5 算例及结论

3.6 小结

第四章粘弹性界面裂纹的断裂参量计算

4.1 粘弹性界面裂纹的数学描述

4.2 粘弹性界面裂纹的断裂分析

4.2.1 无穷远边界上作用Ⅰ、Ⅱ型载荷的界面裂纹问题

4.2.2 反平面界面裂纹的断裂分析

4.2.3 数值反变换

4.2.4 界面裂纹的扩展

4.2.5 粘弹性界面裂纹J积分的守恒性

4.3 粘弹性界面裂纹相似单元聚缩解

4.3.1 界面裂纹应力强度因子的定义

4.3.2 界面裂纹应力强度因子的确定

4.3.3 粘弹性界面裂纹相似单元聚缩解

4.3.4 算例

4.4 小结

第五章界面脱粘的损伤分析

5.1 引言

5.2 高聚物的银纹化过程

5.3 考虑损伤的界面元法

5.3.1 界面层内聚力模型

5.3.2 考虑损伤的界面元列式

5.3.3 高聚物和金属相材料的损伤

5.4 界面脱粘损伤的数值分析

5.4.1 界面裂纹扩展的载荷释放技术

5.4.2 界面裂纹损伤演化的数值研究

5.5 小结

第六章固体火箭发动机界面脱粘分析

6.1 发动机固化降温时界面脱粘对结构完整性的影响

6.2 发动机界面脱粘的燃烧流场控制方程及计算

6.3 界面脱粘燃烧对内弹道的影响

6.4 界面脱粘燃烧的热力学分析

6.4.1 脱粘腔对流燃烧场的压力分布

6.4.2 裂纹尺寸对界面燃烧脱粘载荷的影响

6.4.3 燃气内压对发动机前后端部界面脱粘的作用

6.4.4 燃烧室燃气增压率对界面燃烧脱粘的影响

6.5 界面燃烧脱粘的扩展特性

6.6 小结

第七章结论与展望

致谢

参考文献

附录：个人简历及发表的有关学术论文

发布时间: 2006-09-14

参考文献

[1].大长径比固体火箭发动机点火瞬态过程研究[D]. 钟涛.国防科学技术大学2005
[2].固体火箭发动机点火过程与装药裂纹相互作用机理研究[D]. 葛爱学.国防科学技术大学2004
[3].固体火箭发动机翼槽火焰传播机理研究[D]. 余贞勇.西北工业大学2000
[4].固体火箭发动机机械撞击载荷作用下安全性研究[D]. 陈广南.国防科学技术大学2005
[5].固体火箭发动机水下工作特性的研究[D]. 张有为.中国科学技术大学2007
[6].固体火箭发动机可靠性增长试验理论及应用研究[D]. 刘飞.国防科学技术大学2006
[7].固体火箭发动机分布式集成设计平台及其关键技术研究[D]. 解红雨.国防科学技术大学2006
[8].固体火箭发动机整形机床机电系统动力学分析与优化[D]. 武建新.内蒙古工业大学2007
[9].基于激光跟踪仪的固体火箭发动机推力线测量技术研究[D]. 张春富.哈尔滨工业大学2007
[10].有壁面质量注入通道流体动力学典型问题分析[D]. 王革.哈尔滨工程大学2009

粘弹性界面断裂与固体火箭发动机界面脱粘研究

猜你喜欢