固体火箭发动机药柱结构完整性分析

论文摘要

药柱是固体火箭发动机的重要组成部分。药柱在整个工作期间,将受到诸如环境温度、点火压力、加速度等各种载荷的作用,药柱结构完整性分析就是保证在这些载荷的作用下,避免因大变形造成燃气壅塞,局部压力剧增等现象。而药柱是粘弹性物质,材料又具有近似不可压缩特性,都给有限元模拟带来困难。研究并采用正确的理论和有效的数值计算方法进行固体药柱结构的完整性分析,具有重要的理论意义和实用价值。在本文中,简单地描述了粘弹性材料的力学特性,并针对不同的应力状态提出三种破坏判断依据,给结构分析提供了可靠的理论依据。根据Prony级数形式经换算得到模拟计算中所需要的参数,应用ANSYS有限元分析软件,建立了药柱结构的三维有限元模型,对固体火箭发动机药柱工作过程进行了数值模拟,分别针对几种常见的受载荷状态—温度载荷、内压载荷、加速度载荷开展影响结构完整性因素的研究。通过模拟分析,得出了药柱von mises应力、应变分布图以及危险点的位置,结合相应的破坏判断依据,表明结构的完整性可以得到保证。在此基础上,进一步对松弛模量、泊松比、热膨胀系数、内外半径比值这些影响参数进行研究,讨论了参数与von mises应力、应变之间的变化规律,结果比较符合工程实际。最后在内压载荷工况下,编写Matlab程序计算药柱结构的理论解,并与前面得到的有限元结果进行对比分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 固体火箭发动机简介
• 1.2.1 固体火箭发动机的结构
• 1.2.2 固体火箭发动机的优缺点
• 1.2.3 固体火箭发动机的工作原理
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 粘弹性理论进展
• 1.3.2 粘弹性问题的数值方法研究进展
• 1.4 药柱结构的完整性
• 1.5 本文的主要内容
• 第2章 药柱粘弹性力学理论
• 2.1 粘弹性力学特性
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 粘弹性力学行为
• 2.1.3 粘弹性力学模型
• 2.2 时—温等效原理
• 2.3 本章小结
• 第3章 有限元分析模型
• 3.1 ANSYS 软件简介
• 3.2 ANSYS 中粘弹性材质属性参数输入
• 3.2.1 ANSYS 中表征粘弹性属性问题
• 3.2.2 Prony 和Maxwell 级数形式
• 3.3 固体火箭发动机药柱模型
• 3.3.1 药柱几何形状设计
• 3.3.2 简化假设
• 3.3.3 工作载荷
• 3.3.4 边界条件
• 3.4 药柱破坏性能分析
• 3.5 药柱的破坏判断依据
• 3.6 本章小结
• 第4章 数值分析
• 4.1 有限元模型
• 4.2 结构完整性的判断准则
• 4.3 温度载荷作用下药柱结构分析
• 4.3.1 计算结果分析
• 4.3.2 松弛模量对结构完整性的影响
• 4.3.3 泊松比对结构的影响
• 4.3.4 膨胀系数对结构的影响
• 4.3.5 温度对结构的影响
• 4.4 内压作用下结构完整性分析
• 4.4.1 Prony 级数的输入
• 4.4.2 结果分析
• 4.4.3 线弹性与粘弹性的区别
• 4.4.4 热膨胀系数的对危险点的影响
• 4.4.5 泊松比对危险点的影响
• 4.4.6 药柱内外半径比值对危险点的影响
• 4.5 过载条件下结构完整性分析
• 4.5.1 轴向加载与轴向/横向共同加载的比较
• 4.5.2 轴向加载条件下参数的影响
• 4.6 内压工况下药柱内表面点的有限元数值解与理论值比较
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢