固体火箭发动机结构可靠性计算机辅助设计研究

刘义珩

（北京神舟航天软件技术有限公司，北京 100094）

固体火箭发动机结构可靠性计算机辅助设计研究

刘义珩

（北京神舟航天软件技术有限公司，北京 100094）

不同于一般的机械产品，固体火箭发动机是航空航天武器的动力系统，其承载的载荷较为独特，运行环境也较为恶劣，所以需要确保其结构设计的可靠性。而使用计算机辅助设计技术，则能够为发动机结构可靠性设计提供各种算法，并且完成设计结果的验证。基于这种认识，本文对固体火箭发动机结构可靠性计算机辅助设计问题展开了研究，从而为关注这一话题的人们提供参考。

固体火箭发动机 结构可靠性设计 计算机辅助设计技术

利用计算机辅助技术进行固体火箭发动机结构的可靠性设计，能够使发动机结构可靠性工作精度得到加快，并且能够降低设计人员的机械脑力劳动，从而使设计人员拥有更多的精力进行创造性发挥。而对利用该技术实现固体火箭发动机结构可靠性设计的方法和过程展开分析，则能为相关工作的开展提供指导。

1 计算机辅助技术分析

作为实用性技术，计算机辅助技术的运用需要依靠相应的软件实现。在该软件中，大量设计仿真算法得到了集成，所以设计人员可以使用各种设计仿真算法实现产品设计。而随着相关技术的发展，计算机辅助软件也将得到改进和扩展，从而为设计人员开展设计工作提供便利。在利用计算机辅助技术开展相关工作时，通过综合进行各种算法的运用，不同的计算任务将得以独立实现。而通过重复进行已有算法的实现，则能够使设计人员的设计效率得到较大提高，并且使设计人员拥有更多的精力进行设计创造。此外，运用计算机辅助技术，也能够使设计人员对已有的算法进行继承，从而使其设计水平得到提升。

2 固体火箭发动机结构可靠性计算机辅助设计

2.1 结构可靠性设计分析方法

利用计算机辅助技术进行固体火箭发动机结构可靠性设计，可以使用多种设计分析方法。而从整体上来看，就是将可靠性指标要求设计到产品中，从而使产品可靠性得到定量控制，所以能够使过去安全系数设计方法的盲目性得到克服。从设计步骤上来看，就是分别对结构荷载和材料机械性能进行统计，然后对二者的概率分布进行分析。在此基础上，需要根据荷载分布和结构几何尺寸分布及其他随机因素进行应力计算，同时根据材料机械性能分布和结构几何尺寸分布及随机因素进行强度计算。得到计算结果后，可以分别对结构应力和强度进行统计，然后对二者的概率分布进行讨论，从而为结构的可靠性设计。而在使用该分析方法时，需要利用应力-强度干涉理论，该理论以失效模式和失效机理为基础。

2.2 结构可靠性设计

根据应力-强度理论，可以分别进行固体火箭发动机各个零部件结构的可靠性设计。在设计的过程中，需要将应力和强度当成是包含尺寸、材料性能等内容在内的随机量的函数。而应力和强度各自服从一定的分布，拥有不同的标准差和均值。利用近似算法，可以确定各随机变量函数的应力和强度的均值及标准差。例如在进行固体火箭发动机燃烧室壳体结构可靠性设计时，主要需要对装药燃烧产生的燃气压强进行分析［1］。通常的情况下，该结构由圆筒段和球型封头构成，封头上任意点切向应力与轴向应力相同，仅能达到壳体环向应力的一般。利用计算式σθ=P*Rm/h，就可以完成环向应力σθ的计算。式中，P为燃烧室最大压强，Rm为圆筒壳体半径，h为筒体厚度。而壳体应力和强度服从正态分布，壳体结构可靠度R可以利用R=Φ（z）计算，式中， 为材料强度均值，D（σ）σss为方差，可以通过查表获得。此外，固体火箭发动机还包含装药机构、点火机构、保险机构和矢量装置等部件，所以还要对各个零部件的结构进行可靠性设计。在设计的过程中，需要明确各结构的失效设计准则，并且根据其物理结构进行强度和应力公式的推算，以便利用这些数值完成结构可靠度计算。

2.3 可靠性设计的软件实现

完成燃烧室壳体、装药、封头、隔热层、密封件和连接件等结构的设计后，需要认识到固体火箭发动机结构将在恶劣和复杂的条件下使用的问题。考虑到各零件材料不同，还要建立与环境先关的材料特性数据库，以便了解不同零件的结构形式、应力和强度的情况，并且明确各结构的可靠性设计准则。在此基础上，通过输入不同的变量，并且进行不同材料和结构形式的选择，则能够利用软件实现固体火箭发动机结构的可靠性设计分析。在固体火箭发动机结构可靠性计算机辅助设计界面中，就包含有圆柱、球形和椭球形壳体，材料包含各种型号的钢，可以为壳体结构的可靠性设计分析提供支持［2］。完成选择后，可以对不同应力强度计算公式和数据库中的材料试验物理量数值进行调用，就可以完成结构的可靠度计算。如果对数据库中存有的数据有异议，可以直接在输入栏中进行数值输入。如果结构应力或强度有特殊分布，还可以启动广义可靠性设计计算功能进行结构可靠性设计。而在该种设计形式下，零件结构应力和强度将以广义形式出现，所以设计者可以进行结构应力和强度分布的选定，并且进行参数数据的输入，从而进行结构可靠度计算［3］。根据计算得到的可靠度，则可以验证结构设计是否满足设计要求。

3 结语

总之，利用计算机辅助设计技术进行固体火箭发动机结构可靠性设计，可以使发动机结构可靠性设计更加简单和高效。在设计的过程中，需要利用应力-强度模型对各结构的应力和强度分布进行计算，然后根据相关数值完成各结构可靠度的计算，从而对结构的可靠性设计效果进行检验。

［1］刘羽中，路智敏，汪琳琳等.固体火箭发动机壳体强度可靠性分析［J］.内蒙古工业大学学报（自然科学版），2010（01）∶42-45.

［2］张嵩，于亚斌，余贞勇.固体火箭发动机可靠性增长试验方案研究［J］.质量与可靠性，2010（05）∶4-5.

［3］吴振亚，韩晓明，姚立新.基于集对分析的固体火箭发动机设计方案可靠性评估［J］.军械工程学院学报，2015（04）∶11-15.

刘义珩（1990—），男，安徽凤台人，硕士，毕业于北京航空航天大学，研究方向：管理信息系统、航天研制过程信息化建设、网络与信息安全、软件工程技术、软件设计。