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固体火箭发动机药柱结构完整性数值分析

作　者: 孙海滨
导　师: 周长省
学　校: 南京理工大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 固体火箭发动机裂纹尖端场固化应力释放罩数值分析
分类号: V435
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 256次
引　用: 3次
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内容摘要

在固体火箭发动机的研究中,发动机的可靠性问题一直受到人们的高度重视。由于承受高温、高压和飞行过载等因素的影响,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到发动机的整体可靠性。本文以固体火箭发动机复合推进剂装药在固化降温和点火过程中所常见的强度问题为研究背景,以某一具体型号固体火箭发动机为研究对象,对复合推进剂装药的结构进行了多方面的数值分析研究,所得结论对工程应用和试验设计具有一定的指导和参考意义。主要研究内容为:1)进行了单孔管状药多裂纹相互影响分析,对比了两裂纹在不同夹角时,裂纹尖端场随夹角的变化规律。2)分析了不同裂纹尺寸和不同张角时裂纹尖端场应力集中程度的变化,总结了裂纹尺寸对发动机可靠性的影响。3)模拟了星型药柱固化降温过程,得出了应力集中点应力随时间的变化规律。4)建立了含应力释放罩管状药固化模型,评价了采用应力释放罩后应力集中改善的有效性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-17
  1.1 研究背景、目的和意义  7-8
  1.2 国内外概况  8-15
    1.2.1 粘弹性理论研究概况  8-9
    1.2.2 粘弹性理论的数值方法研究概况  9-11
    1.2.3 断裂力学的研究概况  11-15
  1.3 固体推进剂装药的分类及特点  15
  1.4 本文主要工作  15-17
2 固体推进剂的粘弹性理论  17-38
  2.1 固体推进剂的力学属性  17-21
    2.1.1 固体推进剂的力学性质  17-19
    2.1.2 固体推进剂的粘弹性  19-20
    2.1.3 固体推进剂药柱的力学性能要求  20-21
  2.2 线性粘弹性材料的力学模型  21-28
  2.3 裂纹扩展基础理论  28-34
    2.3.1 三种基本裂纹模式  28-29
    2.3.2 Griffith裂纹的渐近应力场  29-31
    2.3.3 COD法  31
    2.3.4 J积分  31-34
  2.4 粘弹性本构理论  34-37
    2.4.1 蠕变柔量和松弛模量  34-35
    2.4.2 一维积分型本构关系  35-36
    2.4.3 一维微分型本构关系  36-37
    2.4.4 三维本构关系  37
  2.5 总结  37-38
3 典型药柱表面裂纹尖端应力应变场分析  38-49
  3.1 概述  38
  3.2 动态载荷下固体推进剂材料本构关系  38-41
    3.2.1 平面应变和材料不可压缩时基本方程的极坐标形式  38-39
    3.2.2 固体推进剂材料不可压缩I型裂纹尖端场  39-41
  3.3 单孔管状药多裂纹相互影响分析  41-45
    3.3.1 简化假设  41-42
    3.3.2 物理模型和有限元网格  42
    3.3.3 数值仿真结果分析  42-45
  3.4 裂纹开裂长度对尖端应力场影响分析  45-47
  3.5 裂纹张角大小对尖端应力场影响分析  47-48
  3.6 小结  48-49
4 含应力释放罩固体推进剂固化降温数值分析  49-62
  4.1 概述  49
  4.2 传热基础理论  49-53
    4.2.1 热力学基本原理  49-51
    4.2.2 热分析有限元基础理论  51-53
  4.3 固体推进剂固化降温应力分析  53-58
    4.3.1 简化假设  53-54
    4.3.2 物理模型与有限元网格  54
    4.3.3 材料性能参数  54-55
    4.3.4 边界条件  55
    4.3.5 降温过程药柱温度场分布  55-56
    4.3.6 降温过程药柱的热应力分析  56-58
  4.4 固体推进剂药柱应力释放罩应力应变分析  58-61
    4.4.1 物理模型与有限元网格  58-59
    4.4.2 固化降温过程描述  59
    4.4.3 数值仿真结果分析  59-61
  4.5 小结  61-62
5 结论与展望  62-64
  5.1 结论  62-63
  5.2 展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-69

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