某星管組合裝藥結構完整性分析

摘 要：文章采用三維線粘彈性理論分析了某星管組合藥柱低溫點火過程的結構完整性，文章通過建立固體推進劑藥柱的三維有限元模型，結合線粘彈性理論，分析了某固體火箭發動機裝藥在固化降溫過程和低溫環境下點火試車時的結構完整性。通過文章的研究，得到了某固體推進劑藥柱固化降溫過程和低溫點火過程的力學響應特性和場變化規律，為發動機裝藥設計提供了參考。

關鍵詞：星官組合藥柱；結構完整性；三維線粘彈

引言

固體火箭發動機發生故障的原因有很多種，但其主要的原因則是與推進劑的結構完整性有關，在固體發動機裝藥設計中，藥柱的結構完整性分析具有重要的意義[1]。

1 有限元模型

某型星管組合藥柱發動機有限元模型如圖1所示。星管組合藥柱在星型段部分的包覆層與殼體之間存在絕熱層，并且為了防止固化降溫過程藥柱兩端與殼體連接部位發生開裂，在發動機兩端設置了人工脫粘層。本課題所研究的發動機主要幾何參數如下：殼體厚度2mm，絕熱層厚1mm，包覆層厚1mm，藥柱外徑144mm，內徑48，肉厚23mm，過渡段斜角30°，兩端的人工脫粘層長度均為100mm。建立模型的過程中充分考慮了發動機的真實幾何構型，保留了倒角、過渡段圓弧等特征，未對模型作任何修改，以求仿真結果更加逼近實際情況。劃分網格時，對藥柱兩端和過渡段采用局部加密網格劃法，采用C3D20RT單元類型，共生成12591個網格單元，59880個節點。

2 材料參數

文章所采用的發動機模型包括殼體、包覆層、絕熱層和藥柱四部分。殼體為合金材料，推進劑藥柱為近似不可壓粘彈性材料，絕熱層、包覆層的性質和推進劑相似。在計算中，定義殼體和絕熱層為各向同性材料，所有組件的材料參數如表1：

常溫（+20℃）時推進劑的松弛模量：根據常溫（20℃）時的松弛模量的試驗測量值，擬合可得推進劑在20℃時松弛模量的PONY基數。

3 固化降溫過程的結構完整性分析

文章的研究重點是藥柱的結構完整性，一般殼體、絕熱層和包覆層的結構完整性容易得到滿足，因此只是提取了藥柱的應力應變云圖來進行分析。圖2為藥柱固化降溫至-45°時的Von Mises應力云圖。

從圖中可以看出在固化降溫過程中，藥柱的最大Von Mises應力發生在藥柱的過渡段上，隨著溫度的變化藥柱的最大Von Mises應力一直發生在相同的位置，溫度下降的越多，藥柱的最大Von Mises應力越大， -45°時達到5.950MPa。

為了分析藥柱的結構完整性，圖3給出了藥柱在-45°時的Von Mises應變云圖。

由圖可知，在固化降溫過程中，藥柱的最大Von Mises應變同樣發生在藥柱的過渡段上。且同樣的，隨著溫度的變化藥柱的最大Von Mises應變一直發生在相同的位置，溫度下降的越多，藥柱的最大Von Mises應變越大， -45°時達到10.24%。由此得出，在藥柱的固化降溫至低溫-45°過程中，藥柱的結構完整性滿足要求。

4 低溫點火過程的結構完整性分析

圖4，給出了星管組合藥柱在低溫點火試車時的Von Mises應變云圖。

從Von Mises應變云圖中可以看出，藥柱經歷了固化降溫過程，在點火內壓作用下，藥柱的最大Von Mises應力應變均發生在藥柱的過渡段靠近圓管段部分，Von Mises應變最大值為22.24%，滿足結構完整性的要求。

5 結束語

文章分析了藥柱在固化降溫過程和低溫點火過程的結構完整性，通過分析得出該藥柱低溫點火過程的結構完整性滿足要求。同時結合Von Mises應變云圖，指出了星官組合藥柱的應變最大值出現在藥柱的過渡段上，此為藥柱的危險部位，在藥柱的結構設計中應對這一位置加以重視。

參考文獻

[1]王錚，胡永強.固體火箭發動機[M].北京：國防出版社，1993.

[2]董師顏，張兆良.固體火箭發動機原理[M].北京理工大學出版社，1996，3.

[3]楊挺青.粘彈性力學[M].華中理工大學出版社，1990，6.

[4]李錄賢，等.三維藥柱的熱粘彈性有限元分析[J].推進技術，1997，18（3）：45+50.

作者簡介：李沖沖（1988，04-），男，河南新安，碩士，漢族，中國空空導彈研究院，助理工程師，航空宇航推進理論與工程。