基于Python编程的星管组合装药结构完整性分析

李冲冲， 肖志平

(中国空空导弹研究院, 河南 洛阳　471009)



基于Python编程的星管组合装药结构完整性分析

李冲冲， 肖志平

(中国空空导弹研究院, 河南 洛阳471009)

为提高有限元软件ABAQUS分析星管组合药柱结构完整性的效率,本文利用Py-thon脚本语言编程,对发动机药柱的几何模型进行了参数化的建立,分析了药柱的几何尺寸对其结构完整性的影响规律,并结合发动机的装填系数、内弹道性能等因素,对装药设计提出了一些建议。本文所设计的参数化建模方法可大大减少ABAQUS研究装药结构完整性的重复性建模工作,提高分析问题的效率。

固体火箭发动机;结构完整性;参数化;影响规律;Python

0　前　　言

在发动机装药设计初期， 往往需要综合考虑内弹道性能、 发动机整体布局和结构完整性等因素， 来选择合理的装药几何尺寸[1]。而发动机药型设计具有试凑性， 很多情况下， 满足内弹道性能的药型尺寸有很多， 若对每个药型都采用常规的仿真手段进行建模分析， 将大大增加工作量， 耗费较多的人力物力[2]。

本文基于某型固体火箭发动机， 采用线粘弹性理论[3]， 建立了该发动机星管组合药柱的三维有限元模型， 并使用Python脚本语言对有限元模型文件进行编辑， 实现了在ABAQUS仿真计算中几何模型的参数化建立， 分析步定义、 载荷施加和有限元网格自动划分， 省去了大量重复建模的过程， 实现了药柱结构完整性的参数化建模过程。

在此基础上， 通过选取多组不同的过渡段角度、 药柱内径和药柱星型段肉厚等几何尺寸， 仿真计算了不同几何尺寸药柱的最大Mises应变值， 分析了最大Mises应变随几何尺寸的变化规律， 得出了药柱的几何尺寸对其结构完整性[4]的影响规律。

1　基于Python的参数化分析流程

ABAQUS的.rpy文件中用Python脚本方式记录操作命令， 可直接操纵ABAQUS内核， 实现建模、 划分网格、 制定材料属性、 提交作业、 后处理分析等功能[5]。 本文利用Python语言对ABAQUS进行了前处理过程的二次开发， 实现了以下功能：

(1) 通过自定义参数输入， 完成几何模型的参数化建立；

(2) 实现有限元网格自动划分， 载荷条件、 材料属性的自动赋予；

(3) 计算模型的批处理运算。

具体实现流程如图1所示。

图1程序功能实现流程图

2　参数化建模程序的实现

本文选用某星管组合药柱为研究对象， 研究药柱的几何尺寸对其结构完整性的影响。 为了研究方便， 对所研究的药柱进行了一定程度的简化， 在不影响结果精度的同时， 大大减少编程过程的工作量。 主要简化有：不考虑包覆层和人工脱粘； 不考虑药柱两端头部尾部的斜角， 将头部截面改为与发动机轴线垂直； 推进剂只承受温度和内压载荷。

利用Python 编程实现参数化建模过程的具体实施步骤如下：

2.1几何模型的参数化

(1) 对于星管组合药柱来说， 其几何外形完全由一系列几何参数所确定， 用不同的参数代表不同的几何尺寸， 通过修改不同的参数值， 即可生成不同几何尺寸的有限元模型。 在编写模型代码之初， 首先在.rpy文件中建立几何尺寸的参数化表达式：

r1=75#发动机外半径

r2=49#星型段星根圆半径

r3=29#药柱内径

r4=4#星根圆弧倒角

n=8#星角数

rl=400.0#星型段长度

xl=400.0#圆管段长度

ag=30#过渡段角度

(2) 修改几何建模语句

ABAQUS的.rpy文件中采用Python脚本提供的几何建模语句， 通过修改原始文件中建模语句， 将星管组合药柱中各个参数之间的几何关系带入相应的几何建模语句中， 最终得到的几何建模过程的参数化表达程序。 这样通过修改脚本文件中的某些参数值， 就能得到不同几何尺寸的药柱模型。

2.2利用Python语言编写代码

(1) 通过语句进行药柱网格的划分

mdb.models[″].parts[″].generateMesh()

(2) 通过语句材料属性的赋予

mdb.models [″].sections[″].setValues()

(3) 通过语句实现载荷加载

mdb.models[′Model-1 ′].Pressure()

(4) 通过语句实现分析步的设置等所有的前处理过程

mdb.models[′Model-1′].CoupledTempDisplacement Step()

2.3参数化有限元模型程序的建立

最终经过Python编程得到的参数化建立有限元模型的程序， 生成了可编辑的.rpy程序文件。 在程序中， 通过修改几何尺寸对应的参数， 即可在ABAQUS中得到完成前处理过程的药柱1/16(八角星型)有限元模型， 见图2。

3　几何尺寸对星管组合药柱结构完整性的影响规律

影响星管组合药柱结构完整性的几何参数有很多， 但发动机的一些尺寸是由飞行器总体所决定的， 如壳体外径、 装药长度等不能轻易改变[6]， 因此本文选择了以下几何参数进行分析： 过渡段角度、 药柱内径、 药柱肉厚。 通过参数化建模过程建立了一系列有限元模型， 以Von Mises应变集中程度为判断标准[7]， 分析了几何尺寸对星管组合药柱结构完整性的影响规律。

图2星管组合药柱1/16有限元模型

3.1过渡段角度对结构完整性的影响

星管组合药柱发生应变集中最严重的地方是药柱过渡段[8]， 而表征药柱过渡段几何参数的是过渡段角度， 原始发动机的过渡段角度为30°， 本文选取药柱过渡段角度的变化范围为16°～51°， 其他参数不变， 共选取了24组几何模型进行结构完整性分析。

最终得出药柱的最大Von Mises应变随过渡段角度的变化趋势图如图3所示。 从图中可看出， 随着过渡段角度的增大， 药柱的最大Von Mises应变先减小后增大， 在26°附近存在一个最佳角度， 使得药柱的最大Von Mises应变最小。 但是在一定范围内， 过渡段角度对药柱的结构完整性影响不大， 考虑到过渡段角度的改变可以明显的改变装药量， 影响内弹道性能， 因此在发动机装药设计时， 在药柱的安全裕度较大的情况下， 可以通过改变过渡段角度来提高装填系数。

图3最大Von Mises应变随过渡段角度的变化趋势图

3.2药柱内径对结构完整性的影响

管型药柱的m数[9]，即外径与内径的比值对药柱的最大Von Mises应变影响很大。 发动机的原始设计药柱圆管段内径为48 mm， 本文选取内径的变化范围为38～58 mm， 其他参数不变， 共选取了11组几何模型进行分析。 经过计算分析， 药柱的最大Von Mises应变随内径的变化趋势图如图4所示。

从图中可以看出， 随着内径的增大， 药柱的最大Von Mises应变持续减小， 且减小程度较为明显。 由此得出， 星管组合药柱内径对其最大Von Mises影响较大， 增大药柱内径， 可以有效降低药柱的最大Von Mises， 提高装药结构完整性。

图4药柱的最大Von Mises应变随内径的变化趋势图

需要指出的是， 内径对装药量的影响较大， 在实际的药型设计中需要综合考虑装填系数和结构完整性等约束条件来选择合适的内径。 但是， 文中所得出的规律， 对发动机药柱结构微调或固体发动机初始设计， 具有一定的指导意义。

3.3药柱星型段肉厚结构完整性的影响

为了分析药柱星型段肉厚[10]对星管组合药柱结构完整性的影响， 药柱内孔直径不变， 通过改变星型段药柱星根位置来改变肉厚。 本文选取肉厚的变化范围为17～30 mm， 其他参数不变， 共选取了14组的几何模型进行分析。

经过计算分析， 药柱的最大Von Mises应变随肉厚的变化趋势图如图5所示。

图5药柱的最大Von Mises应变随肉厚的变化趋势图

从图中可以看出， 随着肉厚的增加, 药柱的最大Von Mises应变逐渐增大， 但增幅较小。 由此得出， 星管组合药柱星型段肉厚对其结构完整性影响不大。 在药柱设计中， 安全裕度较大时， 可以通过适当的增加肉厚来提高装填系数， 增大推力。

4　结　　论

利用文中建立的程序研究了星管组合药柱的结构完整性， 得出了药柱的过渡段角度、 内径和肉厚对药柱结构完整性的影响规律； 并结合发动机的装填系数， 内弹道性能等因素， 对装药设计提出了一些建议。 本文建立的参数化分析过程， 同样的可以对材料参数、 载荷环境等做参数化处理， 程序操作简单， 实用性强， 省去了大量重复建模的过程， 大大提高了仿真分析的工作效率。

[1] 董师颜， 张兆良. 固体火箭发动机原理[M].北京： 北京理工大学出版社， 1996.

[2] 申志彬， 李磊， 雷勇军， 等. 基于Patran二次开发的星形药柱几何参数灵敏度分析[J]. 国防科技大学学报, 2004， 32(4): 25-29.

[3] 杨挺青.粘弹性力学[M].武汉： 华中理工大学出版社， 1990.

[4] 王元有．固体火箭发动机设计[M]．北京： 国防工业出版社， 1984.

[5] ABAQUS Analysis User’s Manual [M]. ABAQUS Documentation, 2003.

[6] 王铮， 胡永强．固体火箭发动机[M]．北京： 国防工业出版社， 1993．

[7] 阿兰.达维纳．固体火箭推进剂技术[M]. 张德雄， 姚润森， 译．北京： 宇航出版社，1997.

[8] 张亮， 邢国强. 某发动机装药结构完整性分析[J]. 航空兵器， 2012(2): 29-32．

[9] 刘中兵, 周艳青, 张兵. 固体发动机低温点火条件下药柱结构完整性分析[J]. 固体火箭技术， 2015(3): 351-355.

[10] 孔胜如, 邢国强, 张泽远. 固化降温过程中几何参数对车轮形药柱结构完整性的影响分析[J].航空兵器， 2011(3): 60-64.

Structure Integrity Analysis of Star-Tube Grain Based on the Python Programming

Li Chongchong， Xiao Zhiping

(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)

In order to improve the efficiency of structural integrity analysis of star-tube grain by using the finite element software ABAQUS, the parameterized geometric model is established by Python language. The influence of the geometrical size of the column on the structure integrity is analyzed, and according to the factors such as loading coefficient and interior ballistic performance of the engine, some suggestions of grain are put forward. The parametric modeling method designed in this paper can greatly reduce the duplication of ABAQUS research on the integrity of the loading structure, and improve the efficiency of the problem analysis.

solid rocket motor; structural integrity; parameterization; influence rule; Python

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.004

2015-11-25

李冲冲(1988-)， 男， 河南洛阳人， 硕士， 助理工程师， 研究方向为航空宇航推进理论与工程。

V512

A

1673-5048(2016)03-0018-04