基于Python編程的星管組合裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析

李沖沖， 肖志平

(中國空空導(dǎo)彈研究院, 河南 洛陽　471009)

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基于Python編程的星管組合裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析

李沖沖， 肖志平

(中國空空導(dǎo)彈研究院, 河南 洛陽471009)

為提高有限元軟件ABAQUS分析星管組合藥柱結(jié)構(gòu)完整性的效率,本文利用Py-thon腳本語言編程,對發(fā)動機藥柱的幾何模型進行了參數(shù)化的建立,分析了藥柱的幾何尺寸對其結(jié)構(gòu)完整性的影響規(guī)律,并結(jié)合發(fā)動機的裝填系數(shù)、內(nèi)彈道性能等因素,對裝藥設(shè)計提出了一些建議。本文所設(shè)計的參數(shù)化建模方法可大大減少ABAQUS研究裝藥結(jié)構(gòu)完整性的重復(fù)性建模工作,提高分析問題的效率。

固體火箭發(fā)動機;結(jié)構(gòu)完整性;參數(shù)化;影響規(guī)律;Python

0　前　　言

在發(fā)動機裝藥設(shè)計初期， 往往需要綜合考慮內(nèi)彈道性能、 發(fā)動機整體布局和結(jié)構(gòu)完整性等因素， 來選擇合理的裝藥幾何尺寸[1]。而發(fā)動機藥型設(shè)計具有試湊性， 很多情況下， 滿足內(nèi)彈道性能的藥型尺寸有很多， 若對每個藥型都采用常規(guī)的仿真手段進行建模分析， 將大大增加工作量， 耗費較多的人力物力[2]。

本文基于某型固體火箭發(fā)動機， 采用線粘彈性理論[3]， 建立了該發(fā)動機星管組合藥柱的三維有限元模型， 并使用Python腳本語言對有限元模型文件進行編輯， 實現(xiàn)了在ABAQUS仿真計算中幾何模型的參數(shù)化建立， 分析步定義、 載荷施加和有限元網(wǎng)格自動劃分， 省去了大量重復(fù)建模的過程， 實現(xiàn)了藥柱結(jié)構(gòu)完整性的參數(shù)化建模過程。

在此基礎(chǔ)上， 通過選取多組不同的過渡段角度、 藥柱內(nèi)徑和藥柱星型段肉厚等幾何尺寸， 仿真計算了不同幾何尺寸藥柱的最大Mises應(yīng)變值， 分析了最大Mises應(yīng)變隨幾何尺寸的變化規(guī)律， 得出了藥柱的幾何尺寸對其結(jié)構(gòu)完整性[4]的影響規(guī)律。

1　基于Python的參數(shù)化分析流程

ABAQUS的.rpy文件中用Python腳本方式記錄操作命令， 可直接操縱ABAQUS內(nèi)核， 實現(xiàn)建模、 劃分網(wǎng)格、 制定材料屬性、 提交作業(yè)、 后處理分析等功能[5]。 本文利用Python語言對ABAQUS進行了前處理過程的二次開發(fā)， 實現(xiàn)了以下功能：

(1) 通過自定義參數(shù)輸入， 完成幾何模型的參數(shù)化建立；

(2) 實現(xiàn)有限元網(wǎng)格自動劃分， 載荷條件、 材料屬性的自動賦予；

(3) 計算模型的批處理運算。

具體實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1程序功能實現(xiàn)流程圖

2　參數(shù)化建模程序的實現(xiàn)

本文選用某星管組合藥柱為研究對象， 研究藥柱的幾何尺寸對其結(jié)構(gòu)完整性的影響。 為了研究方便， 對所研究的藥柱進行了一定程度的簡化， 在不影響結(jié)果精度的同時， 大大減少編程過程的工作量。 主要簡化有：不考慮包覆層和人工脫粘； 不考慮藥柱兩端頭部尾部的斜角， 將頭部截面改為與發(fā)動機軸線垂直； 推進劑只承受溫度和內(nèi)壓載荷。

利用Python 編程實現(xiàn)參數(shù)化建模過程的具體實施步驟如下：

2.1幾何模型的參數(shù)化

(1) 對于星管組合藥柱來說， 其幾何外形完全由一系列幾何參數(shù)所確定， 用不同的參數(shù)代表不同的幾何尺寸， 通過修改不同的參數(shù)值， 即可生成不同幾何尺寸的有限元模型。 在編寫模型代碼之初， 首先在.rpy文件中建立幾何尺寸的參數(shù)化表達式：

r1=75#發(fā)動機外半徑

r2=49#星型段星根圓半徑

r3=29#藥柱內(nèi)徑

r4=4#星根圓弧倒角

n=8#星角數(shù)

rl=400.0#星型段長度

xl=400.0#圓管段長度

ag=30#過渡段角度

(2) 修改幾何建模語句

ABAQUS的.rpy文件中采用Python腳本提供的幾何建模語句， 通過修改原始文件中建模語句， 將星管組合藥柱中各個參數(shù)之間的幾何關(guān)系帶入相應(yīng)的幾何建模語句中， 最終得到的幾何建模過程的參數(shù)化表達程序。 這樣通過修改腳本文件中的某些參數(shù)值， 就能得到不同幾何尺寸的藥柱模型。

2.2利用Python語言編寫代碼

(1) 通過語句進行藥柱網(wǎng)格的劃分

mdb.models[″].parts[″].generateMesh()

(2) 通過語句材料屬性的賦予

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

(3) 通過語句實現(xiàn)載荷加載

mdb.models[′Model-1 ′].Pressure()

(4) 通過語句實現(xiàn)分析步的設(shè)置等所有的前處理過程

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

2.3參數(shù)化有限元模型程序的建立

最終經(jīng)過Python編程得到的參數(shù)化建立有限元模型的程序， 生成了可編輯的.rpy程序文件。 在程序中， 通過修改幾何尺寸對應(yīng)的參數(shù)， 即可在ABAQUS中得到完成前處理過程的藥柱1/16(八角星型)有限元模型， 見圖2。

3　幾何尺寸對星管組合藥柱結(jié)構(gòu)完整性的影響規(guī)律

影響星管組合藥柱結(jié)構(gòu)完整性的幾何參數(shù)有很多， 但發(fā)動機的一些尺寸是由飛行器總體所決定的， 如殼體外徑、 裝藥長度等不能輕易改變[6]， 因此本文選擇了以下幾何參數(shù)進行分析： 過渡段角度、 藥柱內(nèi)徑、 藥柱肉厚。 通過參數(shù)化建模過程建立了一系列有限元模型， 以Von Mises應(yīng)變集中程度為判斷標(biāo)準(zhǔn)[7]， 分析了幾何尺寸對星管組合藥柱結(jié)構(gòu)完整性的影響規(guī)律。

圖2星管組合藥柱1/16有限元模型

3.1過渡段角度對結(jié)構(gòu)完整性的影響

星管組合藥柱發(fā)生應(yīng)變集中最嚴重的地方是藥柱過渡段[8]， 而表征藥柱過渡段幾何參數(shù)的是過渡段角度， 原始發(fā)動機的過渡段角度為30°， 本文選取藥柱過渡段角度的變化范圍為16°～51°， 其他參數(shù)不變， 共選取了24組幾何模型進行結(jié)構(gòu)完整性分析。

最終得出藥柱的最大Von Mises應(yīng)變隨過渡段角度的變化趨勢圖如圖3所示。 從圖中可看出， 隨著過渡段角度的增大， 藥柱的最大Von Mises應(yīng)變先減小后增大， 在26°附近存在一個最佳角度， 使得藥柱的最大Von Mises應(yīng)變最小。 但是在一定范圍內(nèi)， 過渡段角度對藥柱的結(jié)構(gòu)完整性影響不大， 考慮到過渡段角度的改變可以明顯的改變裝藥量， 影響內(nèi)彈道性能， 因此在發(fā)動機裝藥設(shè)計時， 在藥柱的安全裕度較大的情況下， 可以通過改變過渡段角度來提高裝填系數(shù)。

圖3最大Von Mises應(yīng)變隨過渡段角度的變化趨勢圖

3.2藥柱內(nèi)徑對結(jié)構(gòu)完整性的影響

管型藥柱的m數(shù)[9]，即外徑與內(nèi)徑的比值對藥柱的最大Von Mises應(yīng)變影響很大。 發(fā)動機的原始設(shè)計藥柱圓管段內(nèi)徑為48 mm， 本文選取內(nèi)徑的變化范圍為38～58 mm， 其他參數(shù)不變， 共選取了11組幾何模型進行分析。 經(jīng)過計算分析， 藥柱的最大Von Mises應(yīng)變隨內(nèi)徑的變化趨勢圖如圖4所示。

從圖中可以看出， 隨著內(nèi)徑的增大， 藥柱的最大Von Mises應(yīng)變持續(xù)減小， 且減小程度較為明顯。 由此得出， 星管組合藥柱內(nèi)徑對其最大Von Mises影響較大， 增大藥柱內(nèi)徑， 可以有效降低藥柱的最大Von Mises， 提高裝藥結(jié)構(gòu)完整性。

圖4藥柱的最大Von Mises應(yīng)變隨內(nèi)徑的變化趨勢圖

需要指出的是， 內(nèi)徑對裝藥量的影響較大， 在實際的藥型設(shè)計中需要綜合考慮裝填系數(shù)和結(jié)構(gòu)完整性等約束條件來選擇合適的內(nèi)徑。 但是， 文中所得出的規(guī)律， 對發(fā)動機藥柱結(jié)構(gòu)微調(diào)或固體發(fā)動機初始設(shè)計， 具有一定的指導(dǎo)意義。

3.3藥柱星型段肉厚結(jié)構(gòu)完整性的影響

為了分析藥柱星型段肉厚[10]對星管組合藥柱結(jié)構(gòu)完整性的影響， 藥柱內(nèi)孔直徑不變， 通過改變星型段藥柱星根位置來改變?nèi)夂瘛?本文選取肉厚的變化范圍為17～30 mm， 其他參數(shù)不變， 共選取了14組的幾何模型進行分析。

經(jīng)過計算分析， 藥柱的最大Von Mises應(yīng)變隨肉厚的變化趨勢圖如圖5所示。

圖5藥柱的最大Von Mises應(yīng)變隨肉厚的變化趨勢圖

從圖中可以看出， 隨著肉厚的增加, 藥柱的最大Von Mises應(yīng)變逐漸增大， 但增幅較小。 由此得出， 星管組合藥柱星型段肉厚對其結(jié)構(gòu)完整性影響不大。 在藥柱設(shè)計中， 安全裕度較大時， 可以通過適當(dāng)?shù)脑黾尤夂駚硖岣哐b填系數(shù)， 增大推力。

4　結(jié)　　論

利用文中建立的程序研究了星管組合藥柱的結(jié)構(gòu)完整性， 得出了藥柱的過渡段角度、 內(nèi)徑和肉厚對藥柱結(jié)構(gòu)完整性的影響規(guī)律； 并結(jié)合發(fā)動機的裝填系數(shù)， 內(nèi)彈道性能等因素， 對裝藥設(shè)計提出了一些建議。 本文建立的參數(shù)化分析過程， 同樣的可以對材料參數(shù)、 載荷環(huán)境等做參數(shù)化處理， 程序操作簡單， 實用性強， 省去了大量重復(fù)建模的過程， 大大提高了仿真分析的工作效率。

[1] 董師顏， 張兆良. 固體火箭發(fā)動機原理[M].北京： 北京理工大學(xué)出版社， 1996.

[2] 申志彬， 李磊， 雷勇軍， 等. 基于Patran二次開發(fā)的星形藥柱幾何參數(shù)靈敏度分析[J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報, 2004， 32(4): 25-29.

[3] 楊挺青.粘彈性力學(xué)[M].武漢： 華中理工大學(xué)出版社， 1990.

[4] 王元有．固體火箭發(fā)動機設(shè)計[M]．北京： 國防工業(yè)出版社， 1984.

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

[6] 王錚， 胡永強．固體火箭發(fā)動機[M]．北京： 國防工業(yè)出版社， 1993．

[7] 阿蘭.達維納．固體火箭推進劑技術(shù)[M]. 張德雄， 姚潤森， 譯．北京： 宇航出版社，1997.

[8] 張亮， 邢國強. 某發(fā)動機裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析[J]. 航空兵器， 2012(2): 29-32．

[9] 劉中兵, 周艷青, 張兵. 固體發(fā)動機低溫點火條件下藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析[J]. 固體火箭技術(shù)， 2015(3): 351-355.

[10] 孔勝如, 邢國強, 張澤遠. 固化降溫過程中幾何參數(shù)對車輪形藥柱結(jié)構(gòu)完整性的影響分析[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

李沖沖(1988-)， 男， 河南洛陽人， 碩士， 助理工程師， 研究方向為航空宇航推進理論與工程。

V512

A

1673-5048(2016)03-0018-04