固体火箭发动机结构强度与药柱减面燃烧分析

发布时间：2017-08-15 08:17

  本文关键词：固体火箭发动机结构强度与药柱减面燃烧分析

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【摘要】：在火箭弹和导弹中,广泛地采用固体火箭发动机作为动力装置。对固体火箭发动机结构的分析与优化,以及固体推进剂减面燃烧规律的研究,可以有效地提高火箭发动机的效率,增加火箭弹和导弹的射程,或增加战斗部装药量,提高导弹的威力。本文基于有限元法和试验方法,对螺纹连接的导弹发动机燃烧室壳体进行了强度分析和优化设计,对复合结构喷管进行了热应力分析。利用解析法推导了减面燃烧药柱的燃面公式,研究了药柱的燃烧规律,得到了星孔型药柱、车轮型药柱、套管型药柱和管型药柱减面燃烧时的选用准则。主要工作内容如下:第一,分析了螺纹连接导弹发动机的结构强度,解决了螺纹连接处的接触定义,利用目标驱动优化方法对燃烧室壳体的等壁厚段进行了优化设计。研究结果表明:螺纹连接的燃烧室壳体符合强度要求,最大应力点在前壳体过渡圆弧较小处。水压试验和热试车试验后的燃烧室壳体结构完整,证明了结构强度符合要求。优化后燃烧室壳体的总质量减轻了4.5%。第二,分析了复合结构喷管内燃气流场的温度分布,将得到的温度分布加载到喷管内型面上,得到了喷管的温度分布,采用热-结构耦合求解出喷管承受的热应力。研究结果表明:喷管壳体的温度明显低于耐烧蚀层的温度,没有添加隔热层的部分,温度高于添加隔热层的部分。在不同材料的接触处温度梯度变化最大。复合结构喷管的最大热应力点出现在耐烧蚀层和壳体的接触处。有限元分析的温度分布与热试车后喷管的表面烧蚀情况相符。热试车后复合结构喷管完整,结构满足强度要求。第三,分别研究了星型药柱、车轮型药柱、套管型药柱和管型药柱的减面性。得到了减面燃烧药柱的选用原则。研究结果表明:星孔型药柱和车轮型药柱的减面性大,且减面性可调范围大,套管型药柱和短管型药柱的减面性小。减面性较小时,优先选用短管型药柱。星孔型药柱的星角数和车轮型药柱的轮臂数相同时,相同的减面性,星孔型药柱的装填系数和肉厚系数都大于车轮型药柱。减面性较大时,优先选用星孔型药柱。
【关键词】：固体火箭发动机 燃烧室壳体 复合结构喷管 固体推进剂 减面燃烧
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V435
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 课题研究的背景12-13
• 1.2 课题研究的目的、意义13-14
• 1.3 国内外研究现状分析14-18
• 1.3.1 内弹道的国内外研究现状14-15
• 1.3.2 喷管的国内外研究现状15
• 1.3.3 燃烧室壳体的国内外研究现状15-17
• 1.3.4 发动机结构优化设计的国内外研究现状17-18
• 1.4 本文主要内容18-19
• 第2章 有限元分析理论19-27
• 2.1 固体推进剂的燃烧19-20
• 2.1.1 几何燃烧定律19
• 2.1.2 减面燃烧规律19-20
• 2.2 MATLAB数学软件20
• 2.3 Pro-E三维建模软件20-21
• 2.3.1 Pro-E的应用领域21
• 2.3.2 Pro-E的主要模块21
• 2.4 有限元分析方法21-24
• 2.4.1 结构静力学分析21-22
• 2.4.2 结构优化分析22-23
• 2.4.3 热力学分析23-24
• 2.5 湍流数学模型24-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第3章 导弹发动机燃烧室壳体强度分析与优化设计27-39
• 3.1 研究方法的确立27
• 3.2 导弹发动机的实体结构27-28
• 3.3 燃烧室壳体有限元模型28-30
• 3.3.1 模型离散化28-29
• 3.3.2 燃烧室壳体螺纹连接处定义29
• 3.3.3 边界条件29-30
• 3.3.4 材料参数30
• 3.4 燃烧室壳体的强度分析30-33
• 3.4.1 燃烧室壳体的最大应力分析30-31
• 3.4.2 燃烧室壳体螺纹连接处的应力分布31-33
• 3.5 燃烧室壳体试验33-35
• 3.5.1 水压试验33-34
• 3.5.2 热试车试验34-35
• 3.6 优化设计35-37
• 3.6.1 设计变量的确定35-36
• 3.6.2 约束条件、优化目标和优化方法的确定36
• 3.6.3 优化结果36
• 3.6.4 设计变量的敏感度分析36-37
• 3.7 本章小结37-39
• 第4章 复合结构固体火箭发动机喷管热分析39-52
• 4.1 研究方法39
• 4.2 复合结构喷管有限元模型39-41
• 4.3 喷管内燃气流动分析41-44
• 4.3.1 模型假设41
• 4.3.2 模型建立41-42
• 4.3.3 数学模型的选择42
• 4.3.4 边界条件的设置42
• 4.3.5 计算结果分析42-44
• 4.4 复合结构喷管热分析44-48
• 4.4.1 模型的建立44-45
• 4.4.2 材料参数45
• 4.4.3 边界条件的设置45-46
• 4.4.4 复合喷管的温度场分布46-48
• 4.5 热应力分析48-49
• 4.6 热试车试验49-50
• 4.7 本章小结50-52
• 第5章 减面燃烧规律的药柱选用准则研究52-67
• 5.1 药柱燃面变化规律52-64
• 5.1.1 星孔型药柱52-56
• 5.1.2 车轮形药柱56-61
• 5.1.3 套管型药柱61-63
• 5.1.4 短管型药柱63-64
• 5.2 算例验证64-65
• 5.3 减面性分析与比较65
• 5.4 本章小结65-67
• 结论与展望67-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果74-75
• 致谢75-76

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本文编号：677130