固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性計算機(jī)輔助設(shè)計研究

劉義珩

（北京神舟航天軟件技術(shù)有限公司，北京 100094）

固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性計算機(jī)輔助設(shè)計研究

劉義珩

（北京神舟航天軟件技術(shù)有限公司，北京 100094）

不同于一般的機(jī)械產(chǎn)品，固體火箭發(fā)動機(jī)是航空航天武器的動力系統(tǒng)，其承載的載荷較為獨(dú)特，運(yùn)行環(huán)境也較為惡劣，所以需要確保其結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。而使用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，則能夠為發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計提供各種算法，并且完成設(shè)計結(jié)果的驗證?；谶@種認(rèn)識，本文對固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性計算機(jī)輔助設(shè)計問題展開了研究，從而為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

固體火箭發(fā)動機(jī) 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計 計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)

利用計算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計，能夠使發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性工作精度得到加快，并且能夠降低設(shè)計人員的機(jī)械腦力勞動，從而使設(shè)計人員擁有更多的精力進(jìn)行創(chuàng)造性發(fā)揮。而對利用該技術(shù)實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計的方法和過程展開分析，則能為相關(guān)工作的開展提供指導(dǎo)。

1 計算機(jī)輔助技術(shù)分析

作為實用性技術(shù)，計算機(jī)輔助技術(shù)的運(yùn)用需要依靠相應(yīng)的軟件實現(xiàn)。在該軟件中，大量設(shè)計仿真算法得到了集成，所以設(shè)計人員可以使用各種設(shè)計仿真算法實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計。而隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助軟件也將得到改進(jìn)和擴(kuò)展，從而為設(shè)計人員開展設(shè)計工作提供便利。在利用計算機(jī)輔助技術(shù)開展相關(guān)工作時，通過綜合進(jìn)行各種算法的運(yùn)用，不同的計算任務(wù)將得以獨(dú)立實現(xiàn)。而通過重復(fù)進(jìn)行已有算法的實現(xiàn)，則能夠使設(shè)計人員的設(shè)計效率得到較大提高，并且使設(shè)計人員擁有更多的精力進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)造。此外，運(yùn)用計算機(jī)輔助技術(shù)，也能夠使設(shè)計人員對已有的算法進(jìn)行繼承，從而使其設(shè)計水平得到提升。

2 固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性計算機(jī)輔助設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計分析方法

利用計算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計，可以使用多種設(shè)計分析方法。而從整體上來看，就是將可靠性指標(biāo)要求設(shè)計到產(chǎn)品中，從而使產(chǎn)品可靠性得到定量控制，所以能夠使過去安全系數(shù)設(shè)計方法的盲目性得到克服。從設(shè)計步驟上來看，就是分別對結(jié)構(gòu)荷載和材料機(jī)械性能進(jìn)行統(tǒng)計，然后對二者的概率分布進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，需要根據(jù)荷載分布和結(jié)構(gòu)幾何尺寸分布及其他隨機(jī)因素進(jìn)行應(yīng)力計算，同時根據(jù)材料機(jī)械性能分布和結(jié)構(gòu)幾何尺寸分布及隨機(jī)因素進(jìn)行強(qiáng)度計算。得到計算結(jié)果后，可以分別對結(jié)構(gòu)應(yīng)力和強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計，然后對二者的概率分布進(jìn)行討論，從而為結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計。而在使用該分析方法時，需要利用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，該理論以失效模式和失效機(jī)理為基礎(chǔ)。

2.2 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計

根據(jù)應(yīng)力-強(qiáng)度理論，可以分別進(jìn)行固體火箭發(fā)動機(jī)各個零部件結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計。在設(shè)計的過程中，需要將應(yīng)力和強(qiáng)度當(dāng)成是包含尺寸、材料性能等內(nèi)容在內(nèi)的隨機(jī)量的函數(shù)。而應(yīng)力和強(qiáng)度各自服從一定的分布，擁有不同的標(biāo)準(zhǔn)差和均值。利用近似算法，可以確定各隨機(jī)變量函數(shù)的應(yīng)力和強(qiáng)度的均值及標(biāo)準(zhǔn)差。例如在進(jìn)行固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室殼體結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計時，主要需要對裝藥燃燒產(chǎn)生的燃?xì)鈮簭?qiáng)進(jìn)行分析［1］。通常的情況下，該結(jié)構(gòu)由圓筒段和球型封頭構(gòu)成，封頭上任意點(diǎn)切向應(yīng)力與軸向應(yīng)力相同，僅能達(dá)到殼體環(huán)向應(yīng)力的一般。利用計算式σθ=P*Rm/h，就可以完成環(huán)向應(yīng)力σθ的計算。式中，P為燃燒室最大壓強(qiáng)，Rm為圓筒殼體半徑，h為筒體厚度。而殼體應(yīng)力和強(qiáng)度服從正態(tài)分布，殼體結(jié)構(gòu)可靠度R可以利用R=Φ（z）計算，式中， 為材料強(qiáng)度均值，D（σ）σss為方差，可以通過查表獲得。此外，固體火箭發(fā)動機(jī)還包含裝藥機(jī)構(gòu)、點(diǎn)火機(jī)構(gòu)、保險機(jī)構(gòu)和矢量裝置等部件，所以還要對各個零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性設(shè)計。在設(shè)計的過程中，需要明確各結(jié)構(gòu)的失效設(shè)計準(zhǔn)則，并且根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和應(yīng)力公式的推算，以便利用這些數(shù)值完成結(jié)構(gòu)可靠度計算。

2.3 可靠性設(shè)計的軟件實現(xiàn)

完成燃燒室殼體、裝藥、封頭、隔熱層、密封件和連接件等結(jié)構(gòu)的設(shè)計后，需要認(rèn)識到固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)將在惡劣和復(fù)雜的條件下使用的問題。考慮到各零件材料不同，還要建立與環(huán)境先關(guān)的材料特性數(shù)據(jù)庫，以便了解不同零件的結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力和強(qiáng)度的情況，并且明確各結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上，通過輸入不同的變量，并且進(jìn)行不同材料和結(jié)構(gòu)形式的選擇，則能夠利用軟件實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計分析。在固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性計算機(jī)輔助設(shè)計界面中，就包含有圓柱、球形和橢球形殼體，材料包含各種型號的鋼，可以為殼體結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計分析提供支持［2］。完成選擇后，可以對不同應(yīng)力強(qiáng)度計算公式和數(shù)據(jù)庫中的材料試驗物理量數(shù)值進(jìn)行調(diào)用，就可以完成結(jié)構(gòu)的可靠度計算。如果對數(shù)據(jù)庫中存有的數(shù)據(jù)有異議，可以直接在輸入欄中進(jìn)行數(shù)值輸入。如果結(jié)構(gòu)應(yīng)力或強(qiáng)度有特殊分布，還可以啟動廣義可靠性設(shè)計計算功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計。而在該種設(shè)計形式下，零件結(jié)構(gòu)應(yīng)力和強(qiáng)度將以廣義形式出現(xiàn)，所以設(shè)計者可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和強(qiáng)度分布的選定，并且進(jìn)行參數(shù)數(shù)據(jù)的輸入，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠度計算［3］。根據(jù)計算得到的可靠度，則可以驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

總之，利用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)進(jìn)行固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計，可以使發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計更加簡單和高效。在設(shè)計的過程中，需要利用應(yīng)力-強(qiáng)度模型對各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和強(qiáng)度分布進(jìn)行計算，然后根據(jù)相關(guān)數(shù)值完成各結(jié)構(gòu)可靠度的計算，從而對結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計效果進(jìn)行檢驗。

［1］劉羽中，路智敏，汪琳琳等.固體火箭發(fā)動機(jī)殼體強(qiáng)度可靠性分析［J］.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（01）∶42-45.

［2］張嵩，于亞斌，余貞勇.固體火箭發(fā)動機(jī)可靠性增長試驗方案研究［J］.質(zhì)量與可靠性，2010（05）∶4-5.

［3］吳振亞，韓曉明，姚立新.基于集對分析的固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計方案可靠性評估［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報，2015（04）∶11-15.

劉義珩（1990—），男，安徽鳳臺人，碩士，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，研究方向：管理信息系統(tǒng)、航天研制過程信息化建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、軟件工程技術(shù)、軟件設(shè)計。