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固体火箭发动机机械撞击载荷作用下安全性研究

作　者: 陈广南
导　师: 张为华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 固体火箭发动机安全性分析复合固体推进剂机械撞击热点裂纹摩擦粘性加热发动机撞击试验
分类号: V435
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 483次
引　用: 4次
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内容摘要

固体火箭发动机在贮存、运输、维护及使用过程中可能遇到各种意外机械撞击激励,例如:吊装过程中跌落,运输过程中因交通事故发生翻覆碰撞,机载固体导弹挂飞时因载机发生起降事故导致高速冲撞,多级火箭发射初期因发射异常与发射架或地面建筑物发生碰撞等,固体火箭发动机将受到剧烈机械撞击载荷作用,导致其着火燃烧甚至爆炸。本文对机械撞击载荷作用下固体火箭发动机安全性进行研究,以热点机理分析为基础,以结构动力有限元方法为手段,将热点细观模型与发动机结构撞击变形分析有机结合,旨在探索机械撞击载荷作用下固体火箭发动机安全性分析研究的方法和途径。本文根据固体推进剂细观结构特征及撞击载荷作用下的损伤破坏模式,结合相关理论分析结果,将裂纹摩擦作为推进剂热点形成的关键因素。对与裂纹摩擦热点形成相关的物理、化学过程进行分析研究,提出了裂纹摩擦热点细观模型,推导建立了热点形成和发展控制方程。模型描述了裂纹滑移扩展、热传导、含能颗粒相变、液化层粘性加热、裂纹内气相反应、气相固相质量能量交换及与裂纹扩展耦合等过程。对压力和剪力作用下丁羟推进剂(HTPB)和高能推进剂(NEPE)裂纹摩擦热点形成过程进行了数值计算。计算分析表明:推进剂内部裂纹摩擦在一定条件下能导致热点生成,闭合裂纹扩展是形成热点的前提条件。本文根据推进剂粘弹性质和相关试验现象,提出并研究了撞击变形条件下固体推进剂基体粘性加热及氧化剂热分解问题。应用热粘弹理论、传热学、推进剂热分解动力学等,分析推导了推进剂粘性加热与应力应变的关系,建立了描述基体粘性加热、基体与含能颗粒传热、含能颗粒受热分解及与基体界面反应等过程的细观模型,推导建立了模型控制方程。结合动力有限元方法,分析研究了HTPB和NEPE推进剂试样撞击变形过程中基体粘性加热及氧化剂颗粒热分解情况。分析计算表明:撞击变形条件下粘性加热使推进剂基体温度显著上升,温度升幅与撞击速度、剪切变形、推进剂热流变特性密切相关。计算结果与相关试验现象相吻合,证实了撞击载荷作用下固体推进剂热点生成与推进剂变形及粘性加热过程密切相关。本文研究探讨固体火箭发动机撞击载荷作用下安全性分析理论和方法。对发动机结构撞击变形分析的相关理论和方法进行分析讨论。分析研究了推进剂裂纹在大位移情况下描述、弥散裂纹及含能固体颗粒离散、弥散裂纹扩展对推进剂宏观力学性能影响、有基体粘性加热情况下裂纹摩擦热点模型等问题。采用有限单元及连续变量离散基本思想,提出了热点细观模型与发动机撞击变形宏观分析相结合方法,建立了机械撞击载荷作用下固体火箭发动机结构受力变形及热点形成分析计算模型。

全文目录

图目录  8-11
表目录  11-12
摘要  12-14
Abstract  14-16
第一章绪论  16-26
  1.1 固体火箭发动机安全性研究背景与意义  16-20
  1.2 固体火箭发动机机械撞击安全性研究概况  20-24
    1.2.1 机理研究  20-21
    1.2.2 安全性分析  21-24
  1.3 本文研究内容及章节安排  24-26
第二章裂纹摩擦热点模型及数值计算  26-61
  2.1 引言  26
  2.2 推进剂损伤模式与热点形成机理  26-30
    2.2.1 撞击载荷作用下固体推进剂损伤模式  26-29
    2.2.2 推进剂裂纹摩擦引燃机理  29-30
  2.3 裂纹摩擦相关物理和化学过程分析  30-36
    2.3.1 裂纹扩展和裂纹形状、氧化剂破碎及其裂纹  30-33
    2.3.2 推进剂热分解  33-34
    2.3.3 氧化剂液化与粘性  34
    2.3.4 氧化剂及固体推进剂摩擦系数  34-36
  2.4 裂纹摩擦热点模型  36-49
    2.4.1 裂纹摩擦细观物理模型  36-37
    2.4.2 裂纹摩擦热点模型控制方程  37-45
    2.4.3 裂纹摩擦滑移速度及摩擦功率  45-48
    2.4.4 裂纹扩展准则和扩展速度  48-49
  2.5 数值计算与结果分析  49-59
    2.5.1 裂纹摩擦热点模型计算方法  49-53
    2.5.2 推进剂裂纹摩擦热点形成计算及结果分析  53-59
  2.6 小结  59-61
第三章固体推进剂基体粘性加热细观过程研究  61-82
  3.1 引言  61
  3.2 现象及其分析  61-63
  3.3 基体粘性加热及氧化剂颗粒热传导细观模型  63-72
    3.3.1 推进剂热粘弹性模型  63-65
    3.3.2 推进剂粘性加热率  65-67
    3.3.3 含能颗粒热传导细观模型及控制方程  67-71
    3.3.4 基体粘性加热动力有限元分析方法  71-72
  3.4 推进剂试样撞击变形与基体粘性加热数值计算  72-80
  3.5 小结  80-82
第四章机械撞击载荷作用下固体火箭发动机安全性分析理论与方法  82-102
  4.1 引言  82
  4.2 撞击载荷作用下发动机结构受力变形分析  82-87
    4.2.1 坐标系与动力有限元基本方程  83-85
    4.2.2 增量型热粘弹性本构方程和壳体材料模型  85-87
  4.3 推进剂细观裂纹描述与弥散裂纹离散  87-92
    4.3.1 大位移情况下裂纹描述  88-90
    4.3.2 弥散裂纹离散  90-92
  4.4 裂纹面受力分析及弥散裂纹对推进剂宏观力学性能影响  92-98
    4.4.1 坐标变换及裂纹面受力分析  92-93
    4.4.2 裂纹附加应变及弥散裂纹对推进剂宏观力学性能影响  93-98
  4.5 氧化剂颗粒粒径离散  98-99
  4.6 基体粘性加热情况下裂纹摩擦热点模型  99-100
  4.7 小结  100-102
第五章含能材料试样及发动机撞击试验分析计算  102-123
  5.1 引言  102
  5.2 高能炸药试样Steven 撞击试验分析计算  102-109
    5.2.1 撞击试验情况及相关计算参数  102-105
    5.2.2 计算结果与分析  105-109
  5.3 小型发动机火箭橇撞击试验分析计算  109-116
    5.3.1 撞击试验情况及相关计算参数  109-111
    5.3.2 计算结果与分析  111-116
  5.4 发动机临界撞击速度参数影响分析  116-121
    5.4.1 推进剂体积模量影响  116-117
    5.4.2 推进剂断裂表面能影响  117
    5.4.3 推进剂摩擦系数影响  117-118
    5.4.4 推进剂热分解参数影响  118-119
    5.4.5 初始裂纹半径影响  119-120
    5.4.6 推进剂时温转换活化能影响  120-121
  5.5 小结  121-123
结束语  123-126
致谢  126-127
参考文献  127-136
攻读博士学位期间发表的学术论文及撰写的报告  136-137
攻读博士学位期间参加的主要科研项目  137

固体火箭发动机机械撞击载荷作用下安全性研究

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