舰载环境对固体发动机装药影响分析

刘文一,焦冀光

(91550部队,辽宁大连 116000)



舰载环境对固体发动机装药影响分析

刘文一,焦冀光

(91550部队,辽宁大连 116000)

为了研究舰艇巡航时运动以及所经海区温度载荷对舰载固体发动机装药的影响,建立了舰艇运动模型和所经海区的温度变化模型;采用有限元技术计算了装药在这些载荷下的应力、变形和温度分布。结果表明:装药在舰艇动载荷的作用下,出现了较为严重的应力集中和变形,温度载荷对装药的影响不大;但是在舰艇动载荷和温度载荷的耦合作用下,叠加的集中应力有可能超过人工脱粘的许用应力而破坏脱粘层导致发动机故障。

装药;运动;温度;应力

0 引言

固体发动机是舰载导弹的核心系统,导弹被竖直装载至舰艇执行巡航任务时,舰艇航行时的摇摆、振动、昼夜及舰艇所经海区的温度变化会对贴壁浇注固体发动机装药产生影响。为了研究这些载荷对装药的影响,文中建立了舰艇运动模型和所经海区的温度变化模型;采用有限元技术计算了装药在这些载荷下的应力、变形和温度分布情况。

1 装药模型

发动机装药为等截面六星孔型,基于药柱的几何对称性,纵向共有3个对称剖面,将发动机装药均分成完全对称的6等份,每份夹角为60°,取其中对称的一份建立三维有限元计算模型,共划分10 272个单元。其有限元模型如图1所示。

图1 装药有限元模型

推进剂具有粘弹性特性,泊松比为定值,其性能参数如表1所示.

表1 装药性能参数

表中应力松弛模量E(t)用Prony级数形式表示,其级数表达式中的系数和指数需要实验得到的松弛模量来确定。该发动机装药的松弛模量E(t)的Prony级数形式[1]为:

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

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

各温度下的温度-时间转换因子aT由实验测定。

2 舰艇运动对装药的影响

舰艇在水中的运动是一种具有6个自由度的空间运动,对搭载导弹影响最大的是横摇、纵摇和升沉运动。发动机装药由于具有密度高、质量大的特性,在这种低频高幅载荷的作用下,发动机装药可能会出现界面脱粘。

2.1 舰艇运动模型

2.1.1 舰艇横摇运动模型

以舰艇稳定高度点为坐标原点,舰尾至舰艏方向为X轴,垂直舰尾至舰艏方向为Y轴建立坐标系。根据舰艇在海浪中的受力,列出舰艇的动平衡方程,得舰艇在海浪中的单自由度线性横摇方程[2]:

(1)

2.1.2 舰艇纵摇运动模型

舰艇纵摇与横摇类似,单自由度纵摇方程为:

(2)

2.1.3 舰艇升沉运动模型

舰艇在海浪区航行时,其升沉运动主要来自一阶波浪力和二阶波浪力的作用。可以采用Hirom近似公式来计算舰艇所受波浪力[3],在Δh(t)和ψ(t)较小的情况下,舰艇所受的波浪力为:

(3)

(4)

2.2 仿真计算及结果分析

根据2.1建立的数学模型,在有限元软件中建立合适的载荷模型,并将之加载到有限元模型上。舰艇横摇和纵摇的角加速度、角速度和角度均为实测值,而升沉运动则为利用公式的近似值,故加载升沉运动载荷时,需在前处理软件中建立合适的载荷场,才能使升沉运动的计算模型与实际情况吻合。

计算得到了装药在这些运动载荷下的应力和变形如图2所示。

图2 装药在横摇、纵摇和升沉运动载荷下的云图

从图中可以看出,发动机装药在舰艇复合运动载荷的作用下,出现了应力集中,并产生了一定的变形。应力集中部位出现在药柱前端人工脱粘部位,其最大值为9.69 MPa;最大变形出现在装药沿轴线中部,其最大值为1.04 mm,并且其分布范围较广;在装药沿轴线中部较大范围内均出现了较大的变形,其值在0.62～1.04 mm。

3 舰载环境温度对装药的影响

遂行舰艇巡航任务的导弹长期立式贮存在舰艇发射筒内,所经海区温度变化不同,而且每天昼夜有温差,致使药柱内部产生热应力。

3.1 舰载环境温度载荷模型

装药温度来自于发动机壳体所接触的外界环境温度,但是舰载环境温度是随机变化的。这主要是由于舰艇在航行中会经过不同的海域,经历不同的环境温度。并且每天天气阴晴和昼夜的变化,都会导致舰载环境温度变化。舰艇长期巡航环境温度随机变化的模拟,国内外有很多方法[4],文中采用式(5)所示的方程来近似模拟长期巡航过程中环境温度随机变化的规律。

T=Tm-Tacos (ωat+φa)-Tdcos (ωdt+φd)

(5)

式中:Tm为年平均温度;Ta为年均温度变化幅值;ωa为年循环频率;φa为年循环初始相位角;Td为日均温度变化幅值;ωd为日循环频率;φd为日循环初始相位角;t为时间(d)。

根据历年实测数据,建立了舰艇巡航所经历的两个海域A与B的温度载荷数学模型:

T=26-8.5cosωat-5cosωdt

(6)

T=32-10cosωat-8cosωdt

(7)

而装药的导热微分方程为:

(8)

式中:qv、ρ、Cv、λ分别为内热源发射率、密度、质量定容热容和导热系数。对于无内热源的第一类边值问题,用时间差分Galerkin格式可得有限元刚度方程[5-6]:

(9)

式中:T1和T0分别为时间步长Δt前后瞬时的单元节点温度列阵。

计算采用的空间等参数单元坐标和温度分别为:x=N(xi),y=N(yi),z=N(zi)。

3.2 仿真计算及结果分析

3.2.1 装药的温度场分布

分别计算了装药在A、B两个海区3d后的温度分布云图,如图3和图4所示。

图3 装药在A海区3 d后温度分布

图4 装药在B海区3 d后温度分布

从图3和图4可以看出,装药在A和B两个海区内温度分布趋势一致,只是数值不同;由于装药起始温度均低于环境温度,经过相同时间的缓慢热传递之后,两者均是在靠近壳体的部分温度较高,这是由于金属发动机壳体直接暴露在环境温度中,使靠近发动机壳体的装药升温很快。由于装药的导热率较低,靠近装药内表面,特别是星根部位的温度变化不大。

同时,对比图3和图4可以看出,装药在B海区时温度变化率较大,这是由B海区的温度变化幅度较大所致。

3.2.2 装药的热应力场分布

分别计算了装药在A、B两个海区3d后温度载荷下的热应力分布云图,如图5和图6所示。

图5 装药在A海区3 d后热应力

图6 装药在B海区3 d后热应力

从图5和图6可以看出,装药在A、B两个海区的交变温度载荷下,均出现了应力集中现象,应力集中位置均在装药的前后端人工脱粘部位。装药在A海区时最大热应力为0.166MPa,装药在B海区时最大热应力为0.260MPa,装药在温度变化幅度大的B海区出现的热应力要比温度变化幅度小的A海区出现的热应力大。

4 结论

1)发动机装药在舰艇横摇、纵摇和升沉复合运动载荷的作用下,出现了应力集中和变形。应力集中部位出现在药柱前端的人工脱粘部位,其最大值为9.69MPa;

最大变形出现在装药沿轴线中部,其最大值为1.04 mm,并且其分布范围较广;在装药沿轴线中部较大范围内,均出现了较大的变形,其值在0.62～1.04 mm。

2)发动机装药在经过温度变化不同的两个海区时,由于环境温度变化而导致发动机装药温度变化,但在两个海区内发动机装药的温度分布较为一致,但发动机装药在B海区时温度变化率较大,这是由B海区的温度变化幅度较大所致。

3)发动机装药在A、B两个海区的温度载荷下,均出现了应力集中现象,应力集中位置均在装药的前后端人工脱粘部位。装药在A海区时最大热应力为0.166 MPa,装药在B海区时最大热应力为0.260 MPa,装药在温度变化幅度大的B海区出现的热应力要比温度变化幅度小的A海区出现的热应力大,但这两个应力值较小,不会对装药产生严重影响。

4)综合1)和3)分析,发动机应力集中均出现在

药柱前段的人工脱粘部位,并且在舰艇运动载荷和温度载荷的耦合作用下,叠加的集中应力有可能超过人工脱粘的许用应力而破坏脱粘层导致发动机故障。

[1] 李金飞, 黄卫东, 李瑞亮. 基于实测舰载环境温度的固体发动机药柱累积损伤分析 [J]. 四川兵工学报, 2012, 33(10): 7-9.

[2] 戴余良. 潜艇在随机海浪中摇荡运动的仿真研究 [J]. 计算机仿真, 2001, 18(5): 42-45.

[3] 刘胜,荆兆寿. 高海情下船舶减摇鳍控制系统的仿真 [J]. 船舶工程, 1995(2): 37-41.

[4] 周红梅, 高吉力, 齐强, 等. 长期贮存条件下固体发动机药柱应力分析 [J]. 海军航空工程学院学报, 2010, 25(1): 54-56.

[5] 朱智春, 蔡峨. 固体火箭发动机药柱三维温度场有限元分析 [J]. 推进技术, 1997, 18(2): 21-26.

[6] 刘鸿雁, 黎国保. 舰载环境温度载荷作用下固体发动机传热分析 [J]. 战术导弹技术, 2011(1): 44-48.

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

刘文一(1982-),男,甘肃甘谷人,工程师,硕士,研究方向:飞行器结构分析及评定。

V435

A