固体火箭发动机粘弹性药柱谱分析

发布时间：2017-09-02 02:18

  本文关键词：固体火箭发动机粘弹性药柱谱分析

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【摘要】：固体火箭发动机研究涉及材料力学、自动控制等多个学科领域,其中固体火箭发动机药柱的粘弹性力学性能研究又是其中尤为重要的研究内容。由于药柱的多组分特性,因此其材料的力学性能随之变得复杂;并且对于火箭整体的模态分析和随机振动谱分析的模拟结果对火箭整体设计和安全性设计起到主导性作用;因此火箭在工作状态下的动态响应对于火箭的设计和计算起到决定性作用;因而对于固体发动机药柱粘弹性分析及其实验测试的研究具有重要意义。本文将粘弹性理论与材料性能试验技术相结合,对粘弹性药柱的基本参数进行测量与拟合;将得到的结果与有限元分析方法结合,对固体火箭发动机药柱进行有限元法的静态分析和动态分析,最终将得到的结果和参数加以应用。在固体火箭药柱参数测量中应用粘弹性基本理论通过拉氏变换得到相应的积分关系之后应用两种方法进行测量分析。在试验中,本文应用高精度热动态分析仪与三维视觉位移测量仪共同采集测定某型号固体火箭药柱试样的参数时间函数曲线数据。其中泊松比的测量有两种,第一种为由试验测量得到的横向应变和松弛模量计算泊松比;第二种为通过拉伸松弛模量、剪切蠕变柔量在拉氏域中的变换最终推导出泊松比的积分表达式。在测量位以上采用非接触测量方法;本文利用了视觉测量,通过对试样进行散斑处理采集图像后进行位移分析最终得到结果既不影响材料的属性又可以得到各方向的位移量。本文应用粘弹性基本理论中的积分型本构关系和拉普拉斯变换相结合,推导出能够在有限元中适用的Prony级数形式本构方程。通过实验得到的结果对推导出的本构关系利用MATLAB进行拟合,得到实际试验结果关于Prony级数的形式;进而可将实验参数导入到有限元分析中。根据粘弹性的基本理论和材料各向同性等理论依据,将得到的拟合函数推导为材料弹性模量和泊松比等基本参数。应用有限元软件ANSYS中进行火箭整体的有限元分析;观察静载荷作用下的变形情况和粘弹性相应;再对三维火箭整体进行模态分析和随机振动谱分析,最终得到整体结构的振形、固有频率和危险位置的随机谱响应。在静态分析中,通过有限元结果可以得到在模拟工作状态下药柱的应力和应变,并且可以得到整体中易损位置进而为优化提供参考依据。在动态分析中,模态分析得到了各阶的固有频率、相应阵型和最大位移。本文的研究成果和结论对固体火箭发动机药柱粘弹性有限元分析和材料参数测定具有重要意义。
【关键词】：粘弹性 固体火箭发动机 谱分析 泊松比 Prony级数
【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】：2016
【分类号】：V435
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 选题目的和意义8-9
• 1.2 研究现状9-10
• 1.2.1 粘弹性材料研究现状9-10
• 1.2.2 固体火箭动态分析研究现状10
• 1.3 主要研究内容10-12
• 第二章 药柱的粘弹性理论12-21
• 2.1 粘弹性基本理论12
• 2.2 粘弹性模型表达12-16
• 2.2.1 基本单元12-13
• 2.2.2 基本模型13-14
• 2.2.3 标准线性固体14
• 2.2.4 广义模型14-16
• 2.3 蠕变和松弛16-17
• 2.3.1 松弛试验17
• 2.4 积分型本构方程17-18
• 2.5 动态性能18-21
• 2.5.1 复模量19
• 2.5.2 复柔量19
• 2.5.3 复模量和复柔量的关系19-21
• 第三章 粘弹性泊松比的研究21-32
• 3.1 时域下的泊松比21-23
• 3.2 获得试验参数23-26
• 3.2.1 试验样品和设备23-24
• 3.2.2 试验过程24-26
• 3.2.3 数据处理26
• 3.3 试验结果26-31
• 3.3.1 通过位移计算泊松比26-29
• 3.3.2 通过各向同性计算泊松比29-30
• 3.3.3 两种方法结果比较30-31
• 3.4 结果分析和总结31-32
• 第四章 静态有限元分析32-47
• 4.1 有限元原理32
• 4.2 粘弹性有限元推导32-36
• 4.2.1 积分型本构方程34-35
• 4.2.2 Prony级数应用35-36
• 4.3 算例36-47
• 4.3.1 参数的函数拟合36-38
• 4.3.2 ANSYS下的有限元分析38-47
• 第五章 模态分析47-54
• 5.1 振动和模态分析的基本理论47-49
• 5.1.1 简谐激励受迫振动47-48
• 5.1.2 多自由度系统的振动48-49
• 5.2 粘弹性动态分析49-50
• 5.3 有限元算例50-54
• 5.3.1 自由模态50-52
• 5.3.2 约束模态52-54
• 第六章 谱分析54-69
• 6.1 谱分析的基本理论54-58
• 6.1.1 随机过程54-57
• 6.1.2 线性系统响应57-58
• 6.2 有限元谱分析理论58-59
• 6.3 试验算例59-69
• 第七章 结论与展望69-71
• 7.1 结论69
• 7.2 展望69-71
• 参考文献71-74
• 致谢74

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