艦載環境對固體發動機裝藥影響分析

劉文一,焦冀光

(91550部隊,遼寧大連 116000)

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艦載環境對固體發動機裝藥影響分析

劉文一,焦冀光

(91550部隊,遼寧大連 116000)

為了研究艦艇巡航時運動以及所經海區溫度載荷對艦載固體發動機裝藥的影響,建立了艦艇運動模型和所經海區的溫度變化模型;采用有限元技術計算了裝藥在這些載荷下的應力、變形和溫度分布。結果表明:裝藥在艦艇動載荷的作用下,出現了較為嚴重的應力集中和變形,溫度載荷對裝藥的影響不大;但是在艦艇動載荷和溫度載荷的耦合作用下,疊加的集中應力有可能超過人工脫粘的許用應力而破壞脫粘層導致發動機故障。

裝藥;運動;溫度;應力

0 引言

固體發動機是艦載導彈的核心系統,導彈被豎直裝載至艦艇執行巡航任務時,艦艇航行時的搖擺、振動、晝夜及艦艇所經海區的溫度變化會對貼壁澆注固體發動機裝藥產生影響。為了研究這些載荷對裝藥的影響,文中建立了艦艇運動模型和所經海區的溫度變化模型;采用有限元技術計算了裝藥在這些載荷下的應力、變形和溫度分布情況。

1 裝藥模型

發動機裝藥為等截面六星孔型,基于藥柱的幾何對稱性,縱向共有3個對稱剖面,將發動機裝藥均分成完全對稱的6等份,每份夾角為60°,取其中對稱的一份建立三維有限元計算模型,共劃分10 272個單元。其有限元模型如圖1所示。

圖1 裝藥有限元模型

推進劑具有粘彈性特性,泊松比為定值,其性能參數如表1所示.

表1 裝藥性能參數

表中應力松弛模量E(t)用Prony級數形式表示,其級數表達式中的系數和指數需要實驗得到的松弛模量來確定。該發動機裝藥的松弛模量E(t)的Prony級數形式[1]為:

E(t)=1.799+1.431e-2.5t/aT+2.053e-2.5t/aT+

3.04e-0.25t/aT+3.886e-0.025t/aT

各溫度下的溫度-時間轉換因子aT由實驗測定。

2 艦艇運動對裝藥的影響

艦艇在水中的運動是一種具有6個自由度的空間運動,對搭載導彈影響最大的是橫搖、縱搖和升沉運動。發動機裝藥由于具有密度高、質量大的特性,在這種低頻高幅載荷的作用下,發動機裝藥可能會出現界面脫粘。

2.1 艦艇運動模型

2.1.1 艦艇橫搖運動模型

以艦艇穩定高度點為坐標原點,艦尾至艦艏方向為X軸,垂直艦尾至艦艏方向為Y軸建立坐標系。根據艦艇在海浪中的受力,列出艦艇的動平衡方程,得艦艇在海浪中的單自由度線性橫搖方程[2]:

(1)

2.1.2 艦艇縱搖運動模型

艦艇縱搖與橫搖類似,單自由度縱搖方程為:

(2)

2.1.3 艦艇升沉運動模型

艦艇在海浪區航行時,其升沉運動主要來自一階波浪力和二階波浪力的作用。可以采用Hirom近似公式來計算艦艇所受波浪力[3],在Δh(t)和ψ(t)較小的情況下,艦艇所受的波浪力為:

(3)

(4)

2.2 仿真計算及結果分析

根據2.1建立的數學模型,在有限元軟件中建立合適的載荷模型,并將之加載到有限元模型上。艦艇橫搖和縱搖的角加速度、角速度和角度均為實測值,而升沉運動則為利用公式的近似值,故加載升沉運動載荷時,需在前處理軟件中建立合適的載荷場,才能使升沉運動的計算模型與實際情況吻合。

計算得到了裝藥在這些運動載荷下的應力和變形如圖2所示。

圖2 裝藥在橫搖、縱搖和升沉運動載荷下的云圖

從圖中可以看出,發動機裝藥在艦艇復合運動載荷的作用下,出現了應力集中,并產生了一定的變形。應力集中部位出現在藥柱前端人工脫粘部位,其最大值為9.69 MPa;最大變形出現在裝藥沿軸線中部,其最大值為1.04 mm,并且其分布范圍較廣;在裝藥沿軸線中部較大范圍內均出現了較大的變形,其值在0.62～1.04 mm。

3 艦載環境溫度對裝藥的影響

遂行艦艇巡航任務的導彈長期立式貯存在艦艇發射筒內,所經海區溫度變化不同,而且每天晝夜有溫差,致使藥柱內部產生熱應力。

3.1 艦載環境溫度載荷模型

裝藥溫度來自于發動機殼體所接觸的外界環境溫度,但是艦載環境溫度是隨機變化的。這主要是由于艦艇在航行中會經過不同的海域,經歷不同的環境溫度。并且每天天氣陰晴和晝夜的變化,都會導致艦載環境溫度變化。艦艇長期巡航環境溫度隨機變化的模擬,國內外有很多方法[4],文中采用式(5)所示的方程來近似模擬長期巡航過程中環境溫度隨機變化的規律。

T=Tm-Tacos (ωat+φa)-Tdcos (ωdt+φd)

(5)

式中:Tm為年平均溫度;Ta為年均溫度變化幅值;ωa為年循環頻率;φa為年循環初始相位角;Td為日均溫度變化幅值;ωd為日循環頻率;φd為日循環初始相位角;t為時間(d)。

根據歷年實測數據,建立了艦艇巡航所經歷的兩個海域A與B的溫度載荷數學模型:

T=26-8.5cosωat-5cosωdt

(6)

T=32-10cosωat-8cosωdt

(7)

而裝藥的導熱微分方程為:

(8)

式中:qv、ρ、Cv、λ分別為內熱源發射率、密度、質量定容熱容和導熱系數。對于無內熱源的第一類邊值問題,用時間差分Galerkin格式可得有限元剛度方程[5-6]:

(9)

式中:T1和T0分別為時間步長Δt前后瞬時的單元節點溫度列陣。

計算采用的空間等參數單元坐標和溫度分別為:x=N(xi),y=N(yi),z=N(zi)。

3.2 仿真計算及結果分析

3.2.1 裝藥的溫度場分布

分別計算了裝藥在A、B兩個海區3d后的溫度分布云圖,如圖3和圖4所示。

圖3 裝藥在A海區3 d后溫度分布

圖4 裝藥在B海區3 d后溫度分布

從圖3和圖4可以看出,裝藥在A和B兩個海區內溫度分布趨勢一致,只是數值不同;由于裝藥起始溫度均低于環境溫度,經過相同時間的緩慢熱傳遞之后,兩者均是在靠近殼體的部分溫度較高,這是由于金屬發動機殼體直接暴露在環境溫度中,使靠近發動機殼體的裝藥升溫很快。由于裝藥的導熱率較低,靠近裝藥內表面,特別是星根部位的溫度變化不大。

同時,對比圖3和圖4可以看出,裝藥在B海區時溫度變化率較大,這是由B海區的溫度變化幅度較大所致。

3.2.2 裝藥的熱應力場分布

分別計算了裝藥在A、B兩個海區3d后溫度載荷下的熱應力分布云圖,如圖5和圖6所示。

圖5 裝藥在A海區3 d后熱應力

圖6 裝藥在B海區3 d后熱應力

從圖5和圖6可以看出,裝藥在A、B兩個海區的交變溫度載荷下,均出現了應力集中現象,應力集中位置均在裝藥的前后端人工脫粘部位。裝藥在A海區時最大熱應力為0.166MPa,裝藥在B海區時最大熱應力為0.260MPa,裝藥在溫度變化幅度大的B海區出現的熱應力要比溫度變化幅度小的A海區出現的熱應力大。

4 結論

1)發動機裝藥在艦艇橫搖、縱搖和升沉復合運動載荷的作用下,出現了應力集中和變形。應力集中部位出現在藥柱前端的人工脫粘部位,其最大值為9.69MPa;

最大變形出現在裝藥沿軸線中部,其最大值為1.04 mm,并且其分布范圍較廣;在裝藥沿軸線中部較大范圍內,均出現了較大的變形,其值在0.62～1.04 mm。

2)發動機裝藥在經過溫度變化不同的兩個海區時,由于環境溫度變化而導致發動機裝藥溫度變化,但在兩個海區內發動機裝藥的溫度分布較為一致,但發動機裝藥在B海區時溫度變化率較大,這是由B海區的溫度變化幅度較大所致。

3)發動機裝藥在A、B兩個海區的溫度載荷下,均出現了應力集中現象,應力集中位置均在裝藥的前后端人工脫粘部位。裝藥在A海區時最大熱應力為0.166 MPa,裝藥在B海區時最大熱應力為0.260 MPa,裝藥在溫度變化幅度大的B海區出現的熱應力要比溫度變化幅度小的A海區出現的熱應力大,但這兩個應力值較小,不會對裝藥產生嚴重影響。

4)綜合1)和3)分析,發動機應力集中均出現在

藥柱前段的人工脫粘部位,并且在艦艇運動載荷和溫度載荷的耦合作用下,疊加的集中應力有可能超過人工脫粘的許用應力而破壞脫粘層導致發動機故障。

[1] 李金飛, 黃衛東, 李瑞亮. 基于實測艦載環境溫度的固體發動機藥柱累積損傷分析 [J]. 四川兵工學報, 2012, 33(10): 7-9.

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Analysis of Solid Rocket Motor Propellant in Marine Environment

LIU Wenyi,JIAO Jiguang

(No.91550 Unit, Liaoning Dalian 116000, China)

When a naval vessel cruises, its motion and temperature load of the sea would affect the missile’s solid rocket motor propellant. The naval vessel cruise’s kinematic model was established to research this effect. Finite-element method was used to analyze stress, deformation and temperature distribution of propellant under those loads. It proves that severe stress concentration and deformation occurred on the propellant in motion of the naval vessel, and the temperature load slightly affects it, but under coupling of the ship’s movement and temperature loads, superimposed stress concentration would be likely to exceed allowable artificial debonding stress, the artificial debonding layer would be damaged, thus, the missile’s solid rocket motor would fail.

propellant; motion; temperature; stress

2014-10-24

劉文一(1982-),男,甘肅甘谷人,工程師,碩士,研究方向:飛行器結構分析及評定。

V435

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