固体火箭发动机柔性喷管使用性能分析

发布时间：2017-08-17 00:29

  本文关键词：固体火箭发动机柔性喷管使用性能分析

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【摘要】：推力矢量控制系统(Thrust Vector Control-TVC)是固体火箭发动机的机械动力装置,是实现对飞行器控制的最终环节。课题研究对象—全轴摆动变截面柔性喷管,是某固体火箭发动机轻质化、小力矩、高精度的Ⅰ级推力矢量控制系统。系统的寿命取决于柔性接头的寿命;系统全寿命周期要求十五年,在寿命周期内,系统要经历温度变化历程(-40℃~60℃)、承载压力变化历程(0 MPa~0.3 MPa)及摆动历程(频率0.1Hz,至少摆动5 000次)的考核。等应力条件变截面柔性接头,由不同层厚的橡胶弹性件和金属增强件等交替粘接组成。接头弹性件橡胶材料受环境温度和贮存时间的影响大,在长期贮存中,经历各种载荷历程后,其材料的力学性能发生变化,极易老化,导致系统运动精度难以控制,系统作动力矩增大,系统摆动减慢甚至停摆,且历时长、效率低。寿命周期内,接头加速老化模型的建立以及不同温度和长期贮存时间下,系统经历各种载荷历程后,接头老化可靠性及接头内部三维应力、变形及作动力矩、摆心漂移等问题,是尚未解决的关键技术,是解决系统设计及功能发挥的关键问题。针对以上问题,本课题结合柔性接头弹性件橡胶材料的加速老化试验,建立了基于材料剪切模量的弹性件时温加速老化预测模型;得到了全寿命周期内各贮存温度下的材料性能。借助ANSYS与ADAMS软件平台,在完成等应力条件变截面柔性接头结构设计的基础上,结合各分项研究成果,建立了接头非线性有限元及系统刚柔耦合多体动力学计算模型;采用有限元计算与动力学计算协同的研究方法,实现了在全寿命周期内,各种载荷历程中,系统关键性能的计算分析。基于由接头弹性件时温加速老化预测模型得到的材料老化临界性能,借助接头弹性件的应力、应变有限元计算结果及系统动力学载荷计算结果,以Ncode-desighlife为平台,计算分析了接头老化疲劳寿命,以及及临界状态下接头应力、应变分布;结合试验,得到了系统最佳载荷历程和最佳寿命周期。
【关键词】：变截面柔性喷管 接头老化 非线性有限元法 刚柔耦合多体系统动力学 疲劳寿命
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V435
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 课题研究目的及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-13
• 1.2.1 接头寿命影响因素9-10
• 1.2.2 接头常规老化实验10
• 1.2.3 材料老化寿命预测方法10-13
• 1.2.4 橡胶材料老化力学性能13
• 1.3 研究内容13-15
• 1.3.1 研究对象简介13-14
• 1.3.2 主要研究内容14-15
• 1.4 本章小结15-16
• 第二章 柔性喷管结构设计16-27
• 2.1 系统结构方案16-17
• 2.2 柔性接头结构设计17-21
• 2.2.1 接头结构17-18
• 2.2.2 接头材料18-21
• 2.3 接头强度计算21-22
• 2.4 摆心漂移及作动力矩22-26
• 2.4.1 摆心漂移22-23
• 2.4.2 瞬时摆心23-24
• 2.4.3 作动力矩24-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第三章 柔性接头弹性件加速老化模型27-37
• 3.1 弹性件的老化性能27-29
• 3.1.1 老化机理27
• 3.1.2 老化模型27-28
• 3.1.3 老化性能预测模型28-29
• 3.2 加速老化试验29-32
• 3.2.1 试样的制备29-30
• 3.2.2 材料初始性能检测30
• 3.2.3 加速老化试验及结果分析30-32
• 3.2.4 材料贮存寿命32
• 3.3 老化性能模型参数及材料性能的确定32-36
• 3.3.1 模型参数的确定32-33
• 3.3.2 计算结果与试验结果的比较33-34
• 3.3.3 橡胶老化性能的变化34-36
• 3.5 本章小结36-37
• 第四章 柔性喷管的使用性能分析37-57
• 4.0 柔性接头的有限元模型37-39
• 4.0.1 单元类型及材料属性37-38
• 4.0.2 有限元模型38-39
• 4.1 柔性喷管的动力学模型39-40
• 4.1.1 工作载荷39
• 4.1.2 系统动力学计算模型39-40
• 4.2. 计算载荷40-42
• 4.3 柔性接头力学性能计算结果分析42-51
• 4.3.1 柔性接头初始力学性能42-48
• 4.3.2 寿命周期内接头力学性能48-51
• 4.4 系统摆动性能分析51-56
• 4.4.1 摆心漂移51-54
• 4.4.2 摆动力矩随试验载荷的变化54-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 柔性接头的疲劳寿命分析57-64
• 5.1 柔性接头贮存寿命57
• 5.2 Ncode-designlife简介57-58
• 5.3 载荷及材料58-60
• 5.3.1 疲劳计算载荷谱58-59
• 5.3.2 材料性能59-60
• 5.4 计算结果及分析60-63
• 5.4.1 疲劳寿命60-61
• 5.4.2 老化临界应力及应变61-63
• 5.5 最佳载荷及寿命63
• 5.6 本章小结63-64
• 第六章 结论与展望64-66
• 6.1 结论64
• 6.2 展望64-66
• 参考文献66-69
• 致谢69-70
• 个人简介70-71
• 攻读硕士期间主要成果71

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本文编号：686314