固体火箭发动机喷管连接结构强度仿真

2017-05-03王悦凝

弹箭与制导学报 2017年5期

范婕, 王悦凝

(中国空空导弹研究院, 河南洛阳 471009)

0 引言

固体火箭发动机[1-3]主要由点火装置、推进剂、燃烧室和喷管组成,结构紧凑、质量比高。喷管与燃烧室壳体之间的机械接口[4-7]必须满足连接可靠、密封性能好、易于加工及装配等条件。为降低结构质量,目前普遍采用形式简单、易于装配、密封性好的O型橡胶圈密封结构[8-10]。

文中根据喷管与燃烧室壳体之间机械接口要求,设计了3种常规的连接结构,应用有限元软件,建立了3种连接结构计算模型,进行静力强度仿真分析,根据计算结果,从工作安全性和密封性能两个方面,分析讨论了3种连接方式的优劣。

1 结构设计

文中计算采用的3种喷管收敛段与燃烧室壳体尾部的连接结构为:1)喷管与燃烧室壳体通过螺钉周向固定;2)喷管与燃烧室壳体通过螺钉轴向固定;3)喷管与燃烧室通过螺纹连接。3种连接方式的密封结构均为O型橡胶圈径向密封。

文中计算模型中各个零件的材料均为弹塑性模型。

2 静力强度仿真模型

2.1 几何模型

文中计算所施加的载荷为模拟水压试验的均布内压,对喷管收敛段后端面设置与喷管材料一致的堵盖,以保证压力加载情况与试验条件一致。为避免壳体端面约束对连接结构强度产生影响,根据圣维南原理,保留壳体直筒段100 mm长度。3种有限元计算模型见表1、图1。

表1 3种计算模型

2.2 边界条件及载荷

载荷:设计内压10 MPa。

边界条件:模型A、B,建立圆柱坐标系,在剖面施加周向位移约束,壳体端面施加轴向位移约束;模型C为轴对称模型,仅在壳体端面施加轴向位移约束。

接触约束:按照实际情况对零件之间设置接触约束,螺钉与喷管、壳体之间螺纹接触采用间隙接触约束。

2.3 有限元模型

为确保计算精度,采用六面体线性非协调单元对模型A、B中的喷管、螺钉、壳体进行网格划分,模型A壳体螺钉孔局部采用四面体二次单元;对于模型C,建立轴对称模型,采用四边形线性非协调单元;壳体及喷管的薄壁段沿厚度方向划分4层网格,网格尺寸1 mm,模型C螺纹局部网格加密至0.2 mm,见图1。

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

应用有限元分析软件,对3种喷管连接结构模型进行静力强度分析,其中Mises应力及总体变形的结果见图2～图7。

3.2 结果分析

根据计算结果,将壳体直筒段沿轴向建立路径提取Mises应力,见图8。提取关键部位的Mises应力和变形结果,将3种模型进行比较,见表2、表3。

由图8可得,从燃烧室壳体过渡圆弧开始到壳体端面沿轴向总长100 mm的燃烧室壳体应力数值,3种模型应力分布基本一致,不考虑连接部位的应力集中情况,壳体最大应力位于壳体直筒段到加厚段的过渡圆弧区,连接结构对燃烧室壳体的强度影响较小。

表2 最大Mises应力比较

表3 密封圈位置最大径向变形比较

由图2、图4、图6和表2可得:1)在内压作用下,模型A各零件最大Mises应力均已超过材料的许用应力,在螺钉受挤压作用下,壳体与喷管在连接区域的应力集中情况十分显著,材料进入塑性区域较大,螺钉可能发生受剪破坏;2)模型B与模型A相比,同样是采用螺钉连接方式,但是其沿轴向固定,内压作用下螺钉承受拉应力,螺钉头部与喷管接触面的局部区域存在一定的应力集中情况,但应力集中区域较小,且为压应力,能够满足设计使用要求,如果设计内压增大,可以通过更换零件的材料,选用强度更高的材料,以满足高设计压力的要求;3)模型C在壳体与喷管的螺纹连接区域内,不存在应力集中,应力分布较均匀。将内压增大一倍达到20 MPa,通过计算得到,螺纹连接区最大应力为994.9 MPa,该连接结构能够满足更高设计压力的要求。

由图3、图5、图7可得,3种喷管-壳体连接结构模型的总变形分布情况基本一致,其中喷管模拟堵盖的中心变形量最大,模型B的结构变形最小,模型A、C变形量相当。

文中3种模型的密封方式都是采用O型橡胶圈径向密封,提取密封圈槽位置的壳体内表面、喷管密封圈槽底面最大径向变形结果,得到密封圈槽径向最大变形量,见表3。模型B壳体和喷管的径向变形最小,而模型A径向变形最大。经计算可知,随着内压载荷的增大,密封圈槽的最大径向变形与压力载荷基本呈线性递增规律,密封圈的压缩量也将逐渐减小。采用相同尺寸的O型密封圈,模型B的密封效果最好,模型C次之,而模型A的密封效果最差。