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固体火箭发动机粘弹性药柱裂纹分析

作　者: 职世君
导　师: 王政时
学　校: 南京理工大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 固体推进剂粘弹性结构完整性裂纹扩展 ABAQUS
分类号: TJ761
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 248次
引　用: 1次
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内容摘要

固体推进剂是固体火箭发动机的重要组成部分。随着固体火箭发动机性能的不断提高,固体装药的结构完整性分析在固体火箭发动机的设计中已成为必不可少的环节。如果固体推进剂在发动机工作时产生裂纹,将会导致发动机内弹道工作参数偏离设计值,不仅如此,严重时甚至会造成发动机爆炸等恶性事故。本文应用ABAQUS软件,首先对药柱在固化降温工况下的结构完整性进行分析,得出药柱的温度、应力、应变分布,在此基础上,对药柱施加点火冲击时的压力载荷,分别运用动态和准静态进行计算,得出药柱的应力、应变分布。药柱的危险点在过渡圆弧处,相对整个药柱来说,最易产生损伤而形成裂纹。进一步对HTPB试样设置不同倾斜角的初始裂纹,施加拉伸速率为2mm·min^-1的单轴拉伸载荷。裂纹尖端采用奇异性网格处理,利用最大能量释放率计算裂纹的扩展方向。得出裂纹在扩展过程中有向Ⅰ型裂纹转变的趋势,初始裂纹倾斜角越大,裂纹扩展越容易转化为横向扩展。在五角星形药柱可能产生裂纹的不同部位设置初始裂纹,计算在恒定内压载荷下,裂纹扩展角度的变化,得到裂纹的扩展路径及相应的应力强度因子和J积分。本文的研究成果对固体推进剂结构完整性分析有重要的意义,其中在裂纹扩展方向的有限元计算上取得一定的进展,得到了一些有益的结论,对固体推进剂断裂力学的研究提供一定的参考价值。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-12
  1.1 研究背景及意义  7-8
  1.2 粘弹性理论国内外研究现状  8-9
  1.3 粘弹性断裂理论国内外研究现状  9-11
  1.4 本文的主要研究内容  11-12
2 粘弹性力学及断裂力学理论  12-30
  2.1 粘弹性基础理论  12-22
    2.1.1 蠕变和应力松弛  12-13
    2.1.2 粘弹性力学模型  13-20
    2.1.3 时间—温度等效原理及WLF方程  20-22
  2.2 断裂力学基础理论  22-29
    2.2.1 Inglis解与Griffith理论  22-23
    2.2.2 能量释放率，G判据  23-25
    2.2.3 应力强度因子和断裂判据  25-26
    2.2.4 裂纹顶端张开位移理论  26-28
    2.2.5 J积分理论  28-29
  2.3 总结  29-30
3 温度和点火压力载荷下药柱的结构完整性分析  30-43
  3.1 概述  30
  3.2 减缩积分  30-31
  3.3 温度载荷下星形药柱结构完整性分析  31-38
    3.3.1 简化假设  31
    3.3.2 物理模型和有限元网格  31-32
    3.3.3 材料性能参数  32
    3.3.4 边界条件及计算工况  32-33
    3.3.5 降温过程中药柱温度场分析  33-34
    3.3.6 降温过程中药柱热应力及热应变分析  34-38
  3.4 常温点火工况下星形药柱结构完整性分析  38-42
    3.4.1 简化假设  38
    3.4.2 边界条件及计算工况  38-39
    3.4.3 点火过程中药柱应力及应变分析  39-42
  3.5 本章小结  42-43
4 复合推进剂裂纹扩展分析  43-64
  4.1 固体推进剂裂纹扩展基础理论  43-44
  4.2 奇异性裂纹单元  44-47
  4.3 拉伸时HTPB推进剂裂纹扩展方向分析  47-52
    4.3.1 物理模型和网格划分  47
    4.3.2 计算结果分析  47-52
  4.4 内压载荷下星形药柱的裂纹扩展分析  52-63
    4.4.1 简化假设  52
    4.4.2 边界条件及计算方法  52-53
    4.4.3 过渡圆弧处不同倾斜角裂纹扩展分析  53-57
    4.4.4 相邻过渡圆弧连线上不同位置裂纹扩展分析  57-60
    4.4.5 平行裂纹扩展分析  60-63
  4.5 本章小结  63-64
5 总结与展望  64-66
  5.1 结论  64-65
  5.2 展望  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-69

固体火箭发动机粘弹性药柱裂纹分析

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