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固体推进剂在正弦扫描载荷下的响应分析

2020-05-26 23:05:26 来源:51毕业论文网 访问量:273

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工程力学专业本科毕业设计论文
 
 
 
 题目名称 固体推进剂在正弦扫描载荷下的响应分析
题目类型
题目的意义、目的:
固体推进剂是一种具有特定性能的含能复合材料,是导弹、空间飞行器的各类固体发动机的动力源,是固体火箭发动机的动力源用材料,在导弹和航天技术发展中起着重要的作用,通常可分为双基推进剂、复合推进剂和改性双基推进剂。双基推进剂是硝酸纤维素与硝化甘油组成的均质混合物。复合推进剂是以高聚物为基体,混有氧化剂和金属燃料等组分的多相混合物。
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替,所以这个解不是准确解,而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。
在药柱的结构优化设计中,往往需要通过不断修改某些参数,并进行大量的优化试算工作,当模型很复杂时,过程也极其繁杂。ANSYS参数化设计语言允许复杂的数据输入,通过设计中修改材料、结构尺寸、载荷、约束条件等不同要求,用智能化分析的手段实现循环计算,降低了手动修改时的出错率,大大提高了工作效率。
固体火箭发动机在贮存、 运输、 筒内发射和火箭飞行中, 都会产生轴向和横向振动,对于大直径、 高温下工作的发动机, 振动载荷的影响是很大的. 强烈的振动会使药柱表面和其它部分产生裂纹、 药柱翼槽发生过大变形进而堵塞通道, 严重时会导致药柱结构失效甚至发生破坏, 药柱结构完整性问题严重影响着固体火箭发动机的正常工作。
固体推进剂发生振动的过程较难捕捉,但通过ANSYS建立模型进行模拟振动,可以观察到振动状态,得出固体推进剂的力学性能数据,将模拟数据与实验数据进行比对,进行分析并得出结果。从而可以对实际结构的可靠性进行优化、改良,这对固体推进剂的研究具有重要意义。
 
 
 
设计(研究)主要内容及方案:
本课题研究的内容是对固体推进剂在正弦振动下的力学性能进行分析,并为实验提供参考对比。固体推进剂在运输下会颠簸振动, 长期的振动载荷会影响固体推进剂的力学性能。为研究载荷对固体推进剂的影响, 需对固体推进剂进行振动试验, 测试其力学性能参数, 从而判定振动环境对固体推进剂力学性能的影响。
本课题选取ANSYS软件进行分析,ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分软件,是世界范围内增长最快的计算机辅助工程软件,能与多数计算机辅助设计软件接口,实现数据的共享和交换。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大,操作简单方便,现在已成为国际最流行的有限元分析软件,在历年的FEA评比中都名列第一。
主要方案为建立固体推进剂的简化模型,通过给定正弦波长的振动使固体推进剂发生力学变化,从而对振动产生的变化过程进行力学性能的分析并得出结果。
工作进度安排(具体):
3月15日-4月01日     确定论文写作框架并构建简化模型
4月01日-4月20日     进行ANSYS分析
4月20日-5月10日     结合ANSYS分析结果撰写论文并提交
5月10日-5月29日     进一步修改完善论文至最终提交论文
指导教师意见:
                                         指导教师签名:                 
                                                              年     月     日
 
 
意义目的
固体推进剂是一种具有特定性能的含能复合材料,是导弹、空间飞行器的各类固体发动机的动力源,是固体火箭发动机的动力源用材料,在导弹和航天技术发展中起着重要的作用,通常可分为双基推进剂、复合推进剂和改性双基推进剂。双基推进剂是硝酸纤维素与硝化甘油组成的均质混合物。复合推进剂是以高聚物为基体,混有氧化剂和金属燃料等组分的多相混合物。
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替,所以这个解不是准确解,而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。           
在药柱的结构优化设计中,往往需要通过不断修改某些参数,并进行大量的优化试算工作,当模型很复杂时,过程也极其繁杂。ANSYS参数化设计语言允许复杂的数据输入,通过设计中修改材料、结构尺寸、载荷、约束条件等不同要求,用智能化分析的手段实现循环计算,降低了手动修改时的出错率,大大提高了工作效率[1]。
发动机内的装药在浇注成型后, 无法像机械部件一样进行拆装和更换, 一旦失效就意味着发动机报废;其本身作为粘弹性材料对承受的载荷具有“记忆”, 长时间受载时会产生蠕变和应力松弛现象, 直接导致力学性能退化, 降低发动机寿命。作为装药组成部分的推进剂药柱和推进剂/衬层粘接界面成为制约固体火箭发动机使用寿命的关键因素[2]。
固体火箭发动机在贮存、 运输、 筒内发射和火箭飞行中, 都会产生轴向和横向振动[3],固体推进剂在运输下会颠簸振动[4,5], 长期的振动载荷会影响固体推进剂的力学性能。为研究载荷对固体推进剂的影响, 需对固体推进剂进行振动试验, 测试其力学性能参数, 从而判定振动环境对固体推进剂力学性能的影响[6]。
固体火箭推进剂为粘弹性材料,在受到周期性应力或应变作用下,将引起推进剂的振动[7]。推进剂的振动会导致药柱产生裂纹等不稳定现象,进而使固体推进剂产生不稳定燃烧现象。固体推进剂发生不稳定燃烧时,轻则引起发动机内弹道曲线异常,使得发动机偏离设计工作状态,降低发动机工作性能;重则导致发动机爆炸,酿成灾难性后果[8]。
固体推进剂发生振动的过程较难捕捉,但通过ANSYS建立模型进行模拟振动,可以观察到振动状态,得出固体推进剂的力学性能数据,将模拟数据与实验数据进行比对,进行分析并得出结果。从而可以对实际结构的可靠性进行优化、改良,这对固体推进剂的研究具有重要意义。
研究现状
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缺少的环节[9]。固体推进剂药柱的结构完整性和可靠性研究一直是国内外研究的重要课题, 同时在结构分析中, 响应面法在桥梁、岩土以及建筑等工程领域得到了广泛的应用[10]。在固体火箭发动机研制的早期,有一半以上的固体火箭发动机存在不同程度的不稳定燃烧现象。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的固有缺陷,极易出现故障,甚至发生意外事故。如:  1996年1月,美国挑战者号航天飞机由于密封垫圈失效,导致升空7秒后发生爆炸。我国某科研单位在发动机地面试车和飞行试验中,也曾多次发生类似的事故。
关于振动对固体发动机性能的影响, 国外的Greatrix D R研究了结构振动对发动机内弹道性能的影响[11,12]。国内目前仅局限于各种地面振动试验 (非点火状态) 的研究, 如公路运输振动试验、铁路运输振动试验等, 而对于飞行环境下的振动现象缺乏重视, 研究较少[13]。对于固体推进剂药浆的各类问题国内引入了振动技术,设计了固体推进剂振动浇注装置[14]。国内对于固体推进剂的力学性能等研究还需不断发展。
参考文献
[1]邓斌,许俊松,李冬.基于ANSYS的复合固体推进剂力学响应分析[J].航空计算技术,2009,39(06):74-76+80.
[2]刘磊,李高春,李金飞,王鑫,宋佳明.基于实测数据的固体火箭发动机粘接界面振动损伤分析[J].固体火箭技术,2019,42(03):389-395.
[3]刘华,李旭昌,冯锦虎,李敏剑.固体推进剂药柱在振动载荷作用下的结构完整性分析[J].战术导弹技术,2009(05):10-14.
[4]刘华, 李旭昌, 冯锦虎, 等.固体推进剂在振动载荷作用下的结构完整性[J].战术导弹技术, 2009 (5) :10-14.
[5]邢耀国, 曲凯, 许俊松, 等.舰船摇摆条件下固体火箭发动机舰载寿命预估[J].推进技术, 2011, 32 (1) :32-35.
[6]李金飞,黄卫东.固体推进剂振动试验夹具设计[J].机械制造与自动化,2013,42(04):36-38.
[7]田常贞,孙韬.固体火箭推进剂在振动过程中的能量耗损和热量计算[J].北京理工大学学报,1989(01):19-27.
[8]颜密.AP/HTPB复合推进剂压力耦合响应测试方法与数值模型研究[D].北京理工大学,2017.
[9]朱卫兵. 固体火箭发动机药柱结构完整性及可靠性分析[D].哈尔滨工程大学,2005.
[10]陈斌,郑坚.基于响应法的固体推进剂药柱结构可靠性分析[J].战术导弹技术,2019(03):101-106.
[11]GreatrixDR.StructuralVibrationandSolidRocketCombus-tionInstability[J].CanadianAeronauticsandSpaceJournal, 1998, 44 (1) :9-24.
[12]GreatrixDR.InternalBallisticModelforSpinningStar-GrainMotors[J].JournalofPropulsionandPower, 1996, 12 (3) :612-614.
[13]利凤祥,李越森,周为民.某典型振动条件下发动机点火试验研究[J].航空动力学报,2002(05):641-644.
付小燕. 振动浇注装置的动力学分析[C]. 中国力学学会动力学与控制专业委员会.第九届全国多体系统动力学暨第四届全国航天动力学与控制学术会议论文摘要集.中国力学学会动力学与控制专业委员会:中国力学学会,2015:25.
 
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