振动载荷作用下的固体发动机应力应变场分析

梁平,卢洪义,曹翌军,王鑫

(海军航空大学,山东 烟台 264000)

振动载荷作用下的固体发动机应力应变场分析

梁平,卢洪义,曹翌军,王鑫

(海军航空大学,山东 烟台 264000)

针对固体发动机在低频振动载荷作用下的影响分析,采用分布式环境监测系统对发动机实际承受外在环境载荷进行监测,获得了环境实测载荷数据;建立了固体发动机整体模型,对双材料界面采用CZM界面单元模型,在实测载荷的基础上对固体发动机进行了数值模拟,得到了发动机粘接界面层和装药内部的应力应变场分布.结果表明了固体发动机粘接界面层的应力集中点在人工脱粘层与粘接界面的交界处,其最大应力、应变数值为σmax=172.3KkPa、εmax=0.0573;发动机装药内部的应力集中位置在装药内槽中部的星角位置,其最大应力、应变数值为σmax=96.35Kk Pa、εmax=0.0237.

低频振动载荷;固体发动机;应力应变场;CZM界面单元模型

装药和粘接系统作为固体发动机的两个重要组成部分,同时,也是衡量发动机性能和寿命的重要部件.固体发动机从生产到入库贮存过程中会承受各种各样的环境外在振动载荷的影响,振动载荷对发动机的影响主要包括对发动机的结构稳定性造成破坏和降低发动机装药的力学性能,因此研究振动载荷作用下固体发动机的应力应变场具有重要的意义.

国内外在固体发动机的数值模拟研究方面做出了大量的工作,颜彬基于药柱热粘弹性积分型本构方程,推导出适合于药柱在温度载荷下瞬态响应问题的有限元方程.根据某一固体火箭发动机可能经历的环境条件,运用有限元Marc对该发动机装药在固化冷却和常温、低、高温点火试车时的结构进行了数值模拟,得出危险点位置,继而进行完整性分析,并讨论了材料性能参数、药柱几何形状、固化工艺条件改变对星型装药的应力应变场影响规律.

本文在基于实测振动载荷的基础上,利用ABQUS有限元分析软件计算了某型舰载导弹固体发动机在不同实测振动功率谱条件下的应力场、应变场和位移场,同时对装药和粘接系统的应力集中点进行了分析.

1 物理模型

在运输转移和随着舰艇巡航时,舰载导弹处于预发射状态,弹射系统对导弹的支撑是弹性支撑,能进行一定程度的减震,但正常情况下弹射系统对低频、小振幅的载荷有一定的抗性,同时在舰艇巡航期间,贮运箱内对舰载导弹有相对完善的固定设备,因此可以假设导弹随舰航行期间,导弹与发射贮运箱保持相对静止状态,最终经过ABQUS软件设计的发动机模型.

考虑计算量的问题,作出如下假设.

(1)发动机装药、绝热层和壳体的材质分布均匀,除去人工脱粘层,其余各个粘接界面无裂纹存在.

(2)发动机各个部分受热均匀,同时发射贮运箱内流通空气均质和同温.

(3)不考虑热辐射问题,发动机与环境间只存在对流换热.

2 材料属性参数

本文某型舰载导弹发动机装药使用丁羟推进剂,视为各向同性的线性粘弹性材料,表征参数主要包括初始弹性模量、泊松比、剪切模量和体积模量;初始弹性模量经试验测得初始模量值为12.232MPa(T=60℃),泊松比取值0.495;其余参数的计算公式如下:

false相比装药的粘弹材料参数数值而言,壳体和衬层可以视为弹性材料,其主要参数以及丁羟推进剂材料参数经试验测得如表1.

表1 材料参数

3 网格划分

本文为保证更高的精确率,采用完全积分单元对固体发动机模型进行网格划分.为了适当的减少网格的数量,缩短计算时长,对模型进行合理分割,药柱采用四面体自由网格(C3D4),壳体、衬层和包覆套筒采用规则的六面体扫略生成网格(C3D8),同时对药柱和衬层的粘接界面进行了网格优化处理.最终得到模型网格图如图1.

图1 有限元网格图

4 场输出结果及分析

振动载荷作用过程中52s时固体发动机粘接面层上的最大应力σmax=172.3kPa,位置在发动机尾部人工脱粘层与粘接面层的交接平面上,粘接面层上的最大应变为εmax=0.0573,位置在粘接层底部.发动机装药内部最大应力为σmax=96.35kPa,位置装药星角的中间段位,装药内部最大应变为εmax=0.0237,位置在发动机槽孔底部的星尖处.

将振动载荷作用后的发动机应力应变场与初始条件应力应变场相对比,可以得知发动机整体结构的应力水平上升相对明显,但应力集中区域基本保持不变;对比应变分布云图可以发现振动载荷加载以后的应变集区域更加分散,集中点较为突出,数值上也有所提升.从以上现象可以总结出,低频振动载荷在一定程度上提升发动机应力应变水平,加速发动机结构损伤和药柱老化,但不会影响应力应变的分布.

5 历程输出结果及分析

为了更好地说明发动机粘接界面、星角处应力的连续分布情况和关键位置的应力随时间的变化情况,在粘接界面和星角处创建了两条路径,同时在包覆套筒、星角和粘接层底部取了四个关键点,关键点A点是发动机的10342号节点,位置在装药头部星尖与包覆套筒连接处,关键点B点是发动机的7511号节点,位置在装药中部的星角处,关键点C点是发动机的396号节点,位置在发动机尾部人工脱粘层与柱段连接处,关键点E点是发动机的954号节点,位置在发动机尾部人工脱粘层与柱段连接处,与关键点C点对称分布,图2为路径和关键点位置的分布图.

图2 路径及关键点分布图

应力的振动频率远大于输入加速度值的频率,原因在于本文使用瞬态力学来分析发动机的应力应变场,有限元在计算应力应变值时存在数值回归计算,响应值存在时间延迟;应力值的峰值波动来源于输入的振动载荷,四个关键点的历程曲线相比较可以看出,C点的波动峰值最大,四个点的波动频率基本一致,A点的整体波动性较为稳定.

6 结语

通过本文的研究,可以得到以下结论.

(1)发动机所承受的外在环境载荷主要以低频振动载荷为主,其频率范围在2Hz到5Hz之间,其振动幅值相对较小,基本在1g以下.

(2)通过对固体发动机的应力-应变场分析,可以看出粘接面层应力集中区域在发动机尾部人工脱粘层与粘接面交接位置,最大应力、应变数值为172.3kPa和5.73%.

(3)装药内部应力集中区域在发动机内槽中部的星角位置,其应力数值相对粘接面层的应力数值较小,最大应力、应变数值为96.35kPa和2.37%.

[1]贺南昌等编.固体推进剂性能及原理[M].长沙:国防科技大学,1987.

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1671-0711(2017)11(下)-0131-02