大长径比单室双推力药柱点火初期结构完整性分析

论文摘要

小型防空导弹通常采用一种形状较为特别的大长径比单室双推力药柱型式，世界很多国家在此类药柱的动静态实验中多次发生因装药结构失效而引起的壳体烧穿或燃烧室爆炸事故。我国某型号固体火箭发动机在出厂一段时间后实验，发生点火初期爆炸事故。经初步研究表明，药柱的加工误差、受高温环境影响引起的蠕变变形等均会产生上、下凹槽尺寸的不对称，凹槽的不对称性致使药柱上下压力分布严重不对称。因此分析该类药柱的结构完整性对于分析发动机在工作过程中出现的异常状况非常必要。本文应用数值计算方法研究了不对称凹槽尺度下的燃烧室压力分布和药柱的承载，进而进行了药柱结构完整性分析。首先用SolidWorks软件进行物理建模，通过ICEM软件划分网格，应用FLUENT软件对开槽单室双推力固体火箭发动机三维内流场进行数值模拟，得到不同开槽状态下的燃烧初始时刻和药柱燃烧掉1mm肉厚时发动机燃烧室的流场分布。将计算所得的压力场数据在Workbench平台下传递给ANSYS软件，加载在药柱受力面上，然后通过ANSYS软件对不同状态的药柱结构进行力学分析，得到药柱的整体形变和应力应变场，进而分析装药的危险部位和点火初期发生爆炸的原因。计算分析表明：大长径比单室双推力固体火箭发动机药柱开槽部位是装药的最危险部位，点火初期内压力载荷会对该形式的药柱结构产生较大变形和一定损伤，尤其是上下凹槽不对称的情况。这些不同形式的变形和损伤破坏均会导致药柱燃烧面积增大，燃气的燃速增大，槽间流道燃气壅塞，最终出现燃烧室超高压而发生异常现象。合理的药柱开槽设计、良好的加工工艺及防止药柱槽间距较大尺度的变形等均可以保障发动机正常工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 药柱结构完整性研究
• 1.3 国内外本课题研究动态
• 1.4 论文的研究方法、主要内容
• 第2章 发动机内流场数值模拟理论基础
• 2.1 流体力学基本方程
• 2.2 控制方程的离散
• 2.2.1 控制方程的离散方法
• 2.2.2 控制方程离散使用的网格
• 2.2.3 控制方程的离散
• 2.3 湍流模型
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 雷诺应力模型
• 2.3.3 近壁区处理
• 2.4 压力速度耦合
• 2.5 FLUENT 软件介绍
• 2.6 本章小结
• 第3章 药柱结构完整性分析的理论基础
• 3.1 固体推进剂药柱的力学性能
• 3.2 固体推进剂药柱的结构完整性判断准则
• 3.2.1 药柱破坏判据
• 3.2.2 药柱表面破坏分析
• 3.3 粘弹性理论
• 3.3.1 固体推进剂的粘弹性理论
• 3.3.2 线性粘弹性理论的基本方程
• 3.3.3 分离变量法
• 3.3.4 粘弹性属性问题的表征
• 3.4 线性粘弹性材料的力学模型
• 3.4.1 马克斯韦尔（Maxwell）模型
• 3.4.2 开尔文（Kelvin）模型
• 3.4.3 广义马克斯韦尔模型
• 3.4.4 广义开尔文模型
• 3.5 有限元法
• 3.5.1 有限元法的基本思想
• 3.5.2 有限元法求解问题的基本步骤
• 3.6 ANSYS 及 Workbench 软件介绍
• 3.7 本章小结
• 第4章 大长径比单室双推力发动机内流场数值模拟
• 4.1 计算模型和边界条件
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 流场计算域
• 4.1.3 假设条件
• 4.1.4 初始条件
• 4.1.5 边界条件
• 4.2 对称开槽状态下发动机压力场计算结果
• 4.2.1 药柱燃烧初始时刻
• 4.2.2 药柱燃烧掉 1mm 肉厚时刻
• 4.3 不对称开槽状态下发动机压力场计算结果
• 4.3.1 药柱开槽为 1.1mm 和 0.9mm
• 4.3.2 药柱开槽为 1.2mm 和 0.8mm
• 4.3.3 药柱开槽为 1.3mm 和 0.7mm
• 4.4 本章小结
• 第5章 药柱结构完整性分析
• 5.1 数值计算模型和边界条件
• 5.1.1 发动机药柱几何模型
• 5.1.2 假设条件
• 5.1.3 推进剂药柱的性能参数
• 5.1.4 初始条件
• 5.1.5 边界条件
• 5.1.6 数值计算方法
• 5.2 燃烧初始时刻药柱结构场计算及破坏分析
• 5.3 药柱燃烧掉 1mm 肉厚时结构场计算及破坏分析
• 5.4 燃烧初始时刻不对称开槽药柱结构场计算及破坏分析
• 5.4.1 药柱开槽为 1.1mm 和 0.9mm
• 5.4.2 药柱开槽为 1.2mm 和 0.8mm
• 5.4.3 药柱开槽为 1.3mm 和 0.7mm
• 5.4.4 几种开槽情况比较分析
• 5.5 本章小结
• 结论与建议
• 参考文献
• 致谢