论文题目: 固体火箭发动机药柱结构完整性及可靠性分析
论文类型: 博士论文
论文专业: 固体力学
作者: 朱卫兵
导师: 安伟光
关键词: 结构完整性,可靠性,药柱,粘弹性,疲劳损伤,随机振动
文献来源: 哈尔滨工程大学
发表年度: 2005
论文摘要: 长期以来，固体火箭发动机的可靠性问题一直受到人们的高度重视，特别是可靠性设计已经成为固体火箭发动机研制过程中必不可少的环节。固体火箭发动机属于一次性使用的不可修复的复杂系统，由于承受高温、高压、高热流、高速气流和飞行过载等随机因素的影响，因此在地面试验和飞行过程中，如不能按预定程序工作或因自身结构存在固有缺陷，极易出现故障，甚至发生意外事故。因此从理论上和工程实践中开展固体火箭发动机的结构完整性分析和可靠性研究是十分必要的。 固体火箭发动机装药是发动机重要组成部分，其结构完整性和可靠性将直接影响发动机整体可靠性。 本论文以某型固体火箭发动机为背景，完成了药柱结构完整性及可靠性研究。首先根据线性粘弹本构关系，研究了装药的粘弹泊松比、装药体积松弛模量及装药应力松弛模量的粘弹行为和相互转换关系。通过已知数据，应用Prony级数展开，得出了装药应力松弛模量主曲线；推导并给出了轴向固有周期下线性加载动力放大系数随线性加载时间的变化关系。 文中分析了轴向高过载下药柱的结构完整性，利用大型计算软件ANSYS成功地模拟了药柱的粘弹动力响应。针对某固体发动机的故障树分析结果，根据主要影响因素进行了自由装填式药柱的轴向受载分析、高温下贴壁状态药柱的轴向受载分析和公路运输振动环境下的随机疲劳分析。结合相应的药柱破坏判据，轴向过载分析表明，药柱结构完整性能够保证，但安全系数过低。 本文采用瞬时可靠度进行了药柱在轴向高过载下的可靠性分析。考虑加速度载荷的随机性，以及推进剂松弛模量、泊松比、抗拉强度和轴向位移允许值等参数的分散性，基于ANSYS概率设计系统进行了实际发动机药柱在轴向过载下的瞬时可靠度分析，分析中利用Monte Carlo法作为可靠度计算手段，同时计算了强度和刚度两种失效模式下瞬时可靠度，并进行了失效灵敏度分析。分析表明，两种失效模式下的瞬时可靠度均随第二次加载时间的增加先逐渐减小，在某时刻达到最小，之后又逐渐增加。灵敏度分析表明，泊松比对两种失效模式下瞬时可靠度的影响很小；在强度失效模式中，推进
论文目录:
第1章 绪论
1.1 研究的目的和意义
1.2 复合固体推进剂
1.3 复合固体推进剂力学性能的描述
1.4 装药结构完整性及可靠性
1.5 本课题相关的国内外研究现状
1.5.1 粘弹性理论进展
1.5.2 粘弹问题的数值方法研究进展
1.5.3 装药结构可靠性研究进展
1.6 本文主要工作
第2章 粘弹性力学理论及应用研究
2.1 粘弹性力学特性
2.1.1 动静态粘弹性现象分析
2.1.2 粘弹性力学模型
2.1.2.1 麦克斯韦尔模型
2.1.2.2 沃伊特模型
2.2 装药粘弹性本构方程建立
2.2.1 微分算子表征
2.2.2 积分算子表征
2.2.3 动态复数表征
2.3 装药粘弹泊松比
2.3.1 粘弹泊松比的本构方程
2.3.2 粘弹泊松比的数学表征
2.3.2.1 微分算子表达式
2.3.2.2 松驰模量表达式
2.3.2.3 体积模量表达式
2.3.3 粘弹泊松比与其它力学特性之间的关系
2.4 时间—温度等效原理及WLF方程
2.5 装药体积形变的粘弹行为
2.6 装药应力松弛模量的粘弹行为
2.7 粘弹塑性现象
2.8 装药应力松弛模量主曲线研究
2.9 本章小结
第3章 粘弹动力响应的有限元分析模型
3.1 粘弹动力增量型本构关系
3.2 求解动力响应的数值方法
3.3 非线性求解算法—牛顿—拉普森方法
3.4 粘弹动力响应分析算例
3.5 某型固体火箭发动机药柱过载数值分析
3.5.1 药柱的结构受载分析
3.5.2 药柱的简化假设
3.5.3 算例分析
3.5.4 动力放大系数
3.6 本章小结
第4章 轴向过载下药柱结构完整性分析
4.1 固体火箭发动机故障分析
4.1.1 工作压力下破坏可能性分析
4.1.2 压力急升破坏可能性分析
4.1.2.1 燃气壅塞
4.1.2.2 燃面增大
4.1.2.3 燃速增加
4.2 影响药柱结构完整性因素分析
4.2.1 老化的影响
4.2.2 温度的影响
4.2.3 湿度的影响
4.2.4 振动的影响
4.3 主要影响因素确定
4.4 加速度冲击载荷下自由状态药柱结构完整性分析
4.4.1 发动机药柱和壳体的材料性能参数
4.4.2 发动机工作过程推力计算
4.4.3 网格划分及边界条件
4.4.4 材料特性
4.4.5 数值计算
4.4.6 通气参数计算
4.4.7 结果分析
4.5 高温下药柱轴向受载分析
4.5.1 网格划分及边界条件
4.5.2 材料特性
4.5.3 数值计算
4.5.4 结果分析
4.6 本章小结
第5章 轴向过载药柱结构可靠性分析
5.1 瞬时可靠度
5.1.1 可靠性分析概述
5.1.2 瞬时可靠度
5.2 数值模拟
5.2.1 Monte Carlo法的理论基础
5.2.2 抽样方法
5.2.3 随机数的产生
5.3 药柱破坏准则
5.4 ANSYS概率分析方法
5.5 可靠性分析
5.5.1 安全余量
5.5.1.1 强度失效模式
5.5.1.2 刚度失效模式
5.5.2 输入变量样本统计
5.6 数值模拟
5.7 结果分析
5.8 本章小结
第6章 随机振动载荷作用下药柱的可靠性分析
6.1 随机时变动力可靠度理论
6.1.1 基本理论
6.1.2 失效模式
6.1.2.1 首次超越失效机制
6.1.2.2 疲劳失效机制
6.1.3 时变动力可靠度
6.1.3.1 基于Poisson分布的时变动力可靠性
6.1.3.2 基于累积损伤失效机制的疲劳可靠度
6.2 ANSYS随机疲劳计算
6.2.1 ANSYS随机振动分析功能
6.2.2 ANSYS随机振动疲劳分析原理
6.3 运输过程中疲劳损伤计算
6.3.1 损伤率确定
6.3.2 公路运输环境路面激励确定
6.3.3 药柱计算模型确定
6.3.4 药柱静力分析
6.3.5 药柱模态分析
6.3.6 随机振动谱分析
6.3.7 节点139的Von-Mises应力响应谱
6.3.8 随机疲劳分析
6.4 基于Poisson分布的累积损伤可靠性计算
6.4.1 运输中的随机载荷
6.4.2 随机应力下药柱的累积损伤
6.4.3 可靠性计算模型
6.4.4 药柱时变动力可靠度计算
6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢
个人简历
发布时间: 2006-10-13
参考文献
- [1].固体火箭发动机粘弹性药柱的动态可靠度分析[D]. 张书俊.国防科学技术大学2006
- [2].固体火箭发动机药柱的粘弹性不确定结构分析[D]. 张海联.中国人民解放军国防科学技术大学2002
- [3].考虑变泊松比、老化和损伤的固体发动机药柱粘弹性分析[D]. 邓斌.国防科学技术大学2014
- [4].固体火箭发动机药柱三维粘弹性随机有限元分析及概率贮存寿命预估[D]. 田四朋.国防科学技术大学2007
- [5].温度和电磁环境对航弹失效影响分析[D]. 潘文庚.南京理工大学2008