考虑温度不均匀性的固体发动机药柱结构完整性分析

论文摘要

在评估固体发动机的结构完整性时,传统的方法是将温度场简化为均匀温度场,很少涉及温度场的不均匀性。在实际的工作过程中,温度场的不均匀性很可能对发动机药柱的结构完整性产生重要的影响。本文针对某型号固体发动机的三维有限元模型,充分考虑非均匀温度场的影响,在模拟固化降温过程、低温试验以及低温点火发射边界条件的基础上,对发动机在固化降温过程和低温点火发射时的结构完整性进行了分析。主要研究内容如下:介绍了固体发动机结构完整性分析的概念及研究进展。阐述了固体发动机在固化降温过程和低温试验温度场分析的概念,论述了温度载荷对结构完整性的影响。简要介绍了MSC.Nastran软件平台中的热分析和结构分析功能。介绍了线性粘弹性理论、模型、本构关系和基于Burgers模型增量的有限元法。推导了热传导问题的有限元法,给出了热传导问题及其边界条件的数学描述。分别推导了稳态热传导和瞬态热传导的有限元控制方程,并对其求解方法进行了研究。进行了固体发动机固化降温均匀温度场的结构完整性分析。引入了发动机药柱破坏及结构完整性的评估准则。对某型号固体发动机有限元模型,探讨了发动机不同组件的材料性质及其加载方法,并进行了均匀温度场中的结构完整性分析。进行了固体发动机固化降温非均匀温度场的结构完整性分析。在给出非均匀温度场分析所需要的边界条件的基础上,对自然冷却降温方案的非均匀温度场进行了分析,并对不同时刻温度场下固体发动机的结构完整性进行了评估。在此基础上,与均匀温度场分析的结果进行了对比和分析。进行了固体发动机低温条件下非均匀温度场的结构完整性分析。首先计算了从固化降温开始到低温冷却状态时的非均匀温度场,然后对低温冷却不同时刻的发动机结构完整结构完整性进行了分析,重点评估了点火发射时的结构完整性。总之,本文就温度的不均匀性对药柱结构完整性的影响进行了分析,在非均匀温度场的研究上取得了一定的进展。所得的结果和方法研究成果可为发动机生产、设计和使用部门提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 固体发动机结构完整性分析概述及研究进展
• 1.2 固化降温过程及低温试验研究概述
• 1.2.1 固化降温过程及低温试验
• 1.2.2 温度载荷的影响
• 1.2.3 固化降温及低温试验的温度场分析
• 1.3 MSC.Nastran 软件相关分析功能
• 1.3.1 热分析功能
• 1.3.2 结构分析功能
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 粘弹性本构关系及热传导问题的有限元法
• 2.1 线性粘弹性理论、模型及本构关系
• 2.2 基于Burgers 模型的粘弹性增量有限元法
• 2.2.1 Burgers 模型的增量型本构关系
• 2.2.2 有限元基本方程
• 2.2 热传导问题的数学定义
• 2.3 稳态热传导问题
• 2.3.1 稳态热传导有限元基本方程
• 2.3.2 稳态热传导问题的求解
• 2.4 瞬态热传导问题
• 2.4.1 瞬态热传导有限元的基本方程
• 2.4.2 瞬态热传导问题的求解
• 2.5 本章小结
• 第三章 固化降温过程均匀稳态温度场结构完整性分析
• 3.1 发动机药柱结构完整性评判准则
• 3.2 有限元模型、边界条件及基本假设
• 3.2.1 有限元模型
• 3.2.2 材料性质
• 3.2.3 零应力温度
• 3.2.4 均匀温度场计算基本假设
• 3.3 结构完整性分析
• 3.3.1 不同温度的应力场、应变场和位移分析
• 3.3.2 常温时结构完整性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 固化降温过程非均匀温度场结构完整性分析
• 4.1 非均匀温度场边界条件
• 4.1.1 发动机各组件对流边界
• 4.1.2 芯模内边界模型
• 4.1.3 人工脱粘边界
• 4.2 自然冷却非均匀温度场分析
• 4.3 非均匀温度场结构完整性分析
• 4.3.1 不同时刻的应力场、应变场和位移分析
• 4.3.2 结构完整性分析
• 4.4 与均匀温度场的对比和分析
• 4.4.1 温度场的对比和分析
• 4.4.2 结构完整性的对比和分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 低温点火发射时发动机结构完整性分析
• 5.1 低温试验非均匀温度场分析
• 5.2 低温试验结构完整性分析
• 5.2.1 不同时刻的应力场、应变场和位移分析
• 5.2.2 结构完整性分析
• 5.3 低温点火发射时发动机的结构完整性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果