水反应金属燃料发动机药柱结构完整性分析

王志龙, 韩新波, 乔 宏, 尹韶平, 韩 艾, 雷 鸣

水反应金属燃料发动机药柱结构完整性分析

王志龙1, 韩新波1, 乔 宏1, 尹韶平1, 韩 艾2, 雷 鸣2

(1. 中国船舶集团有限公司 第705研究所, 陕西西安, 710077; 2. 西北工业大学 航天学院, 陕西西安, 710072)

为研究鱼雷水反应金属燃料发动机高夹杂比燃料药柱在局部限位条件下的结构完整性问题, 开展了燃料药柱试样力学性能试验, 获得了药柱力学性能参数。在有限元软件中建立了燃料药柱试样的数值分析模型, 进行了药柱试样的力学性能仿真, 通过仿真结果和试验结果的对比, 验证了所建立的药柱力学本构模型的合理性。利用该力学本构模型对水反应金属燃料发动机中燃料药柱的结构完整性进行了仿真分析,得到了燃料药柱的力-位移曲线、应力分布云图以及位移云图,仿真结果表明, 燃料药柱在典型工况下未发生破坏,径向和轴向的变形程度符合发动机整体结构要求。

鱼雷; 水反应金属燃料发动机; 燃料药柱结构完整性; 有限元分析

0 引言

动力系统是鱼雷的主要组成部分, 它对鱼雷的航速、航程、航深、可靠性及成本起着决定性作用[1]。由于海水具有高密度特性, 鱼雷受到的阻力为空中飞行器的800多倍, 使得航速和航程成为常规动力鱼雷技术发展的“软肋”[2]。水反应金属燃料发动机是超高速鱼雷的主发动机, 具有比冲高、推力大的特点[3], 可以有效提高鱼雷的航速[4]。水反应金属燃料发动机所使用的燃料不同于固体火箭发动机的推进剂[5], 该燃料金属含量极高, 氧化剂和粘合剂含量很少, 粘性特性不明显[6], 属于高夹杂比贫氧燃料, 成型方法与传统的复合推进剂以及双基推进剂均不相同, 力学性能目前尚未有深入研究。

在水反应金属燃料发动机中, 燃料药柱受力条件恶劣, 不仅要承受点火时的压强载荷, 还要承受活塞和局部限位挡块的挤压作用。设计时需要对燃料药柱进行结构完整性分析[7], 计算燃料药柱在工作载荷下的力学响应, 获取药柱发生破坏时的载荷极限以及径向位移量, 评价其工作的可靠性, 保证其内部或表面不产生裂纹破坏、不出现药柱与发动机壳体接触等现象。若出现裂纹破坏, 燃料药柱的燃面会突然增大, 导致发动机的内压急剧上升, 造成推力特性畸形甚至爆炸等严重后果[8]。

燃料药柱力学性能和本构模型的研究是发动机药柱结构完整性评估的基础。目前, 国内外学者对传统固体火箭发动机药柱结构完整性分析进行了大量的研究, 此类药柱由于粘合剂组分含量高, 呈现出明显的粘弹塑特性[9]。申志彬[10]、李磊[11]等采用三维粘弹性有限元法分析了伞盘结构位置对燃料药柱结构完整性的影响; 檀叶[12]、温瑞珩[13]等基于粘弹性本构关系分析得到了套管装药发动机工作时最危险部位的应力分布; Chyuan[14-15]采用粘弹性模型分析了均布内压载荷作用下, 材料参数对燃料药柱结构完整性的影响。而对于高夹杂比贫氧燃料药柱结构完整性分析目前却少有公开报道。

文中针对高夹杂比贫氧燃料药柱结构完整性问题, 开展力学性能试验, 采用数字图像相关法(digital image correlation, DIC)技术进行了燃料药柱试样损伤状态监测, 利用商用有限元软件对发动机中的燃料药柱结构完整性进行了仿真分析, 得到典型工况下燃料药柱的力-位移曲线、应力云图以及位移云图, 对燃料药柱的结构完整性进行了评估。

1 推进剂材料力学本构模型

1.1 弹-塑-脆性力学本构模型

图1 弹-塑-脆性本构模型

1.2 剪切损伤理论

其中

2 抗压试验与验证

2.1 试验方案与结果分析

参照GJB770B-2005《火药试验方法》中的抗压强度压缩法, 采用万能试验机以3 mm/min的恒定加载速率对30 mm×30 mm的燃料药柱试样施加载荷, 在加载过程中为了保证燃料药柱试样所受压力方向与其几何中心线同轴, 需要确保万能试验机压头、燃料药柱试样以及放置试样的圆盘同心。静态压缩试验装置与燃料药柱试样如图2所示。

图2 燃料药柱压缩试样及试验装置

通过计算机采集并记录燃料药柱试样在压缩过程中所受压力以及轴向位移的大小, 获得燃料药柱试样一维轴向的力-位移曲线, 如图3所示。

图3 试验测量的力-位移曲线

从图3可以看出, 在燃料药柱试样加载的初始阶段, 材料尚处于弹性变形阶段, 力-位移曲线基本呈线性变化趋势; 此后, 随着载荷量的增大, 材料发生了塑性变形, 力-位移曲线也呈现非线性变化的趋势, 一直持续到该燃料药柱试样所能承受的最大压力43 kN, 此时万能试验机压缩装置的位移量约为1.1 mm。若继续对燃料药柱试样施加位移载荷, 力-位移曲线就呈下降趋势, 这表明燃料药柱试样此时已经开始发生损伤破坏, 其内部或表面已产生裂纹。

2.2 材料参数

燃料药柱试样为各向同性的均质材料, 通过力学性能试验和DIC技术, 获得的药柱材料参数如表1所示。

表1 材料参数列表

2.3 力学本构模型验证

为了保证燃料药柱力学本构模型选取的合理性, 首先需要采用该模型对燃料药柱试样进行仿真计算, 并比较试样的仿真结果和试验结果, 验证力学本构模型的合理性。在有限元分析软件中建立燃料药柱试样受压的物理模型, 并对其进行网格划分, 如图4所示。将万能试验机上下压头视为刚体部件。燃料药柱试样共划分为71 036个六面体单元。

图4 燃料药柱试样三维有限元模型

2.4 结果对比

将燃料药柱试样试验得到的力-位移曲线和基于本构模型仿真得到的力-位移曲线进行对比, 如图5所示。可以看出, 在压缩速率恒定的条件下, 仿真和试验结果在燃料药柱试样发生损伤前的弹塑性阶段比较吻合, 均在点达到了最大承载压力, 约43 kN; 在点以后, 由于燃料药柱试样开始发生损伤, 力-位移曲线呈现明显的下降趋势。为了保证水反应金属燃料发动机工作的可靠性, 需要确保燃料药柱所承受的最大压力不大于点处的压力值, 下降阶段并不代表研究中燃料药柱的主要力学特性, 所以可不考虑点以后燃料药柱的受力情况。从整体趋势来看, 仿真和试验结果基本吻合, 说明了本构模型的适用性。

图5 试验和本构模型仿真结果对比

图6为DIC检测得到的燃料药柱试样破坏模式, 可以看出, 燃料药柱试样中间部位的应力值明显低于其他部位, 剪切带方向与水平方向间的夹角约为45°。

图7展示了燃料药柱试样在压缩过程中4个典型时刻的应力分布云图。通过对比图7(a)和(b)可看出, 在以3 mm/min的恒定加载速率对燃料药柱进行加载时, 当加载时间达到32.42 s, 燃料药柱试样中间部位的应力值出现明显下降, 表明该部位已发生损伤。根据损伤带的形状可判定燃料药柱试样的破坏形式为剪切损伤; 若继续施加载荷, 当加载时间为32.47 s时, 由图7(c)可看出, 此时燃料药柱试样中间一部分单元已被删除, 出现了明显的宏观裂纹, 该位置的应力值也因此急剧下降, 裂纹方向与水平方向间的夹角约45°; 为了研究损伤的发展, 进一步加载, 由图7(d)可看出, 图7(c)中出现的裂纹沿着45°方向继续扩展, 直至整个燃料药柱试样完全破坏, 这与图6的试验结果一致。综上可以证明燃料药柱力学本构模型选择是合理的。

图6 燃料药柱试样破坏模式

图7 加载过程中不同时刻应力云图

3 发动机内燃料药柱结构完整性分析

3.1 几何模型与网格划分

采用上述力学本构模型对210 mm口径水反应金属燃料发动机中的燃料药柱结构完整性进行仿真分析。燃料药柱置于活塞和限位挡块之间, 一端受到活塞的推动, 另一端局部受到限位挡块的挤压, 限位挡块为8个大小相同的圆柱体结构, 其余部分受到燃气压强作用。由于燃料药柱是轴对称结构, 为了提高网格划分质量, 加快仿真计算速度, 根据对称性准则, 把燃料药柱均匀地分成完全对称的8等份, 每一份的夹角为45°, 取其中的一份建立三维有限元计算模型, 并在模型的一侧施加对称边界条件。对整个模型进行网格划分, 考虑到限位挡块与燃料药柱的接触, 对该区域附近划分了更细的网格。建立了燃料药柱三维局部有限元模型, 燃料药柱划分成453 219个六面体单元, 如图8所示。

图8 燃料药柱三维局部有限元模型

3.2 载荷与边界条件

由于限位挡块与发动机壳体相连, 且挡块的刚度远远大于燃料药柱的刚度, 在仿真中给挡块施加刚体约束和完全固定约束, 限制其6个方向的自由度。发动机工作时, 在流体动压作用下, 活塞一端会受到水的压强作用, 达到额定工况后, 活塞对燃料药柱的作用力为101.8 kN, 同时燃料药柱其他方向受到3 MPa的燃气压强。针对此工况, 对活塞一侧的燃料药柱端面施加大小为101.8 kN的压力, 对挡块一侧的端面和燃料药柱周向施加大小为3 MPa的均布压强。

3.3 计算结果分析

通过仿真计算, 得到了燃料药柱的力学响应特性。图9反映了燃料药柱在整个加载过程中的力-位移变化情况, 可以看出该曲线尚未出现下降阶段, 说明燃料药柱在该典型工况下只发生了弹塑性变形, 其内部或表面没有产生裂纹破坏, 满足结构完整性要求。

图9 燃料药柱力-位移曲线

图10反映了燃料药柱的应力分布情况, 从图中可以明显看出, 在燃料药柱与挡块接触区域会产生应力集中现象, 且燃料药柱与挡块接触区域内侧边缘处的应力值大于外侧边缘处的应力值。为减小此处的应力值, 在发动机结构允许的条件下, 可增加挡块与燃料药柱接触面积。在轴向上, 活塞附近区域的燃料药柱和挡块附近区域的燃料药柱所受到的应力均比燃料药柱中间部位所受到的应力大, 活塞附近区域的燃料药柱应力值大约为1 MPa, 挡块附近区域的燃料药柱应力值大约为2～4 MPa, 这主要是由于挡块附近区域的燃料药柱存在应力集中。

图11和图12分别反映了燃料药柱径向和轴向的变形情况, 由图11可知燃料药柱由于周向受到了燃气的压强作用, 整体的径向尺寸变小, 在远离挡块附近区域的燃料药柱均处于收缩状态, 最大径向收缩量为0.078 3 mm。与燃料药柱所受最大应力位置相同, 燃料药柱的径向最大扩张量出现在了其与挡块接触区域内侧边缘处, 大小为0.0271 mm, 远小于燃料药柱和发动机壳体内表面的间隙, 两者不会发生接触; 由图12可以看出燃料药柱由于受到活塞和挡块的挤压作用, 在轴向上整体处于压缩状态, 在燃料药柱与挡块接触区域, 燃料药柱轴向位移量达到最大值0.023 mm, 相对于燃料药柱实际的运动路程可忽略不计。综上所述, 在此典型工况下, 该燃料药柱满足结构完整性要求。

图10 燃料药柱应力分布云图

图11 燃料药柱径向位移分布云图

图12 燃料药柱轴向位移分布云图

结束语

文中对燃料药柱试样进行了压缩试验和DIC损伤监测, 获得了材料的基本参数以及破坏模式; 根据所选的力学本构模型对燃料药柱试样的压缩过程进行了仿真计算, 通过试验结果和仿真结果的对比, 验证了燃料药柱力学本构模型选择的合理性, 为水反应金属燃料发动机内燃料药柱结构完整性分析提供了理论依据。

对典型工况下燃料药柱结构完整性进行了分析, 仿真结果表明燃料药柱在该典型工况下不会发生破坏, 燃料药柱径向和轴向的变形程度符合发动机整体结构要求。由于应力集中现象的存在, 燃料药柱最大应力和最大径向位移均出现在了燃料药柱与挡块接触区域内侧边缘处。

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Analysis of Structural Integrity for the Hydro-reactive Metal Fuel Motor Grainl

WANG Zhi-long1, HAN Xin-bo1, QIAO Hong1, YIN Shao-ping1, HAN Ai2, LEI Ming2

(1.The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China,2. School of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

To study the structural integrity of a high-inclusion ratio grainl for a torpedo hydro-reactive metal fuel motor under local limit conditions, the mechanical properties of the grainl sample are tested, and the mechanical parameters are obtained. The numerical analysis model for the grainl sample is established using finite element software, and the simulation results are compared with the test results, which verified the rationality of the established constitutive model of grainl. The structural integrity of the hydro-reactive metal fuel motor grainl is analyzed using the constitutive model, and the force displacement curve, stress distribution, and displacement contour of the grainl are obtained. The simulation results indicate that the grainl is not damaged under typical working conditions, and the radial and axial deformation of the grainl can meet the requirements of the structure for a hydro-reactive motor.

torpedo; hydro-reactive metal fuel motor; structural integrity for grainl; finite element analysis

TJ630.32; TQ56

A

2096-3920(2021)06-0695-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.008

王志龙, 韩新波, 乔宏, 等. 水反应金属燃料发动机药柱结构完整性分析[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(6): 695-701.

2021-05-28;

2021-07-20.

国家自然科学基金重大项目(52090051).

王志龙(1996-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为能源动力推进技术.

(责任编辑: 杨力军)