水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析

王志龍, 韓新波, 喬 宏, 尹韶平, 韓 艾, 雷 鳴

水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析

王志龍1, 韓新波1, 喬 宏1, 尹韶平1, 韓 艾2, 雷 鳴2

(1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院, 陜西西安, 710072)

為研究魚雷水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高夾雜比燃料藥柱在局部限位條件下的結(jié)構(gòu)完整性問題, 開展了燃料藥柱試樣力學(xué)性能試驗(yàn), 獲得了藥柱力學(xué)性能參數(shù)。在有限元軟件中建立了燃料藥柱試樣的數(shù)值分析模型, 進(jìn)行了藥柱試樣的力學(xué)性能仿真, 通過仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比, 驗(yàn)證了所建立的藥柱力學(xué)本構(gòu)模型的合理性。利用該力學(xué)本構(gòu)模型對(duì)水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料藥柱的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了仿真分析,得到了燃料藥柱的力-位移曲線、應(yīng)力分布云圖以及位移云圖,仿真結(jié)果表明, 燃料藥柱在典型工況下未發(fā)生破壞,徑向和軸向的變形程度符合發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)要求。

魚雷; 水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī); 燃料藥柱結(jié)構(gòu)完整性; 有限元分析

0 引言

動(dòng)力系統(tǒng)是魚雷的主要組成部分, 它對(duì)魚雷的航速、航程、航深、可靠性及成本起著決定性作用[1]。由于海水具有高密度特性, 魚雷受到的阻力為空中飛行器的800多倍, 使得航速和航程成為常規(guī)動(dòng)力魚雷技術(shù)發(fā)展的“軟肋”[2]。水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是超高速魚雷的主發(fā)動(dòng)機(jī), 具有比沖高、推力大的特點(diǎn)[3], 可以有效提高魚雷的航速[4]。水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的燃料不同于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑[5], 該燃料金屬含量極高, 氧化劑和粘合劑含量很少, 粘性特性不明顯[6], 屬于高夾雜比貧氧燃料, 成型方法與傳統(tǒng)的復(fù)合推進(jìn)劑以及雙基推進(jìn)劑均不相同, 力學(xué)性能目前尚未有深入研究。

在水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中, 燃料藥柱受力條件惡劣, 不僅要承受點(diǎn)火時(shí)的壓強(qiáng)載荷, 還要承受活塞和局部限位擋塊的擠壓作用。設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)燃料藥柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性分析[7], 計(jì)算燃料藥柱在工作載荷下的力學(xué)響應(yīng), 獲取藥柱發(fā)生破壞時(shí)的載荷極限以及徑向位移量, 評(píng)價(jià)其工作的可靠性, 保證其內(nèi)部或表面不產(chǎn)生裂紋破壞、不出現(xiàn)藥柱與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體接觸等現(xiàn)象。若出現(xiàn)裂紋破壞, 燃料藥柱的燃面會(huì)突然增大, 導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)壓急劇上升, 造成推力特性畸形甚至爆炸等嚴(yán)重后果[8]。

燃料藥柱力學(xué)性能和本構(gòu)模型的研究是發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估的基礎(chǔ)。目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析進(jìn)行了大量的研究, 此類藥柱由于粘合劑組分含量高, 呈現(xiàn)出明顯的粘彈塑特性[9]。申志彬[10]、李磊[11]等采用三維粘彈性有限元法分析了傘盤結(jié)構(gòu)位置對(duì)燃料藥柱結(jié)構(gòu)完整性的影響; 檀葉[12]、溫瑞珩[13]等基于粘彈性本構(gòu)關(guān)系分析得到了套管裝藥發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)最危險(xiǎn)部位的應(yīng)力分布; Chyuan[14-15]采用粘彈性模型分析了均布內(nèi)壓載荷作用下, 材料參數(shù)對(duì)燃料藥柱結(jié)構(gòu)完整性的影響。而對(duì)于高夾雜比貧氧燃料藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析目前卻少有公開報(bào)道。

文中針對(duì)高夾雜比貧氧燃料藥柱結(jié)構(gòu)完整性問題, 開展力學(xué)性能試驗(yàn), 采用數(shù)字圖像相關(guān)法(digital image correlation, DIC)技術(shù)進(jìn)行了燃料藥柱試樣損傷狀態(tài)監(jiān)測(cè), 利用商用有限元軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料藥柱結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了仿真分析, 得到典型工況下燃料藥柱的力-位移曲線、應(yīng)力云圖以及位移云圖, 對(duì)燃料藥柱的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了評(píng)估。

1 推進(jìn)劑材料力學(xué)本構(gòu)模型

1.1 彈-塑-脆性力學(xué)本構(gòu)模型

圖1 彈-塑-脆性本構(gòu)模型

1.2 剪切損傷理論

其中

2 抗壓試驗(yàn)與驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

參照GJB770B-2005《火藥試驗(yàn)方法》中的抗壓強(qiáng)度壓縮法, 采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以3 mm/min的恒定加載速率對(duì)30 mm×30 mm的燃料藥柱試樣施加載荷, 在加載過程中為了保證燃料藥柱試樣所受壓力方向與其幾何中心線同軸, 需要確保萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓頭、燃料藥柱試樣以及放置試樣的圓盤同心。靜態(tài)壓縮試驗(yàn)裝置與燃料藥柱試樣如圖2所示。

圖2 燃料藥柱壓縮試樣及試驗(yàn)裝置

通過計(jì)算機(jī)采集并記錄燃料藥柱試樣在壓縮過程中所受壓力以及軸向位移的大小, 獲得燃料藥柱試樣一維軸向的力-位移曲線, 如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)測(cè)量的力-位移曲線

從圖3可以看出, 在燃料藥柱試樣加載的初始階段, 材料尚處于彈性變形階段, 力-位移曲線基本呈線性變化趨勢(shì); 此后, 隨著載荷量的增大, 材料發(fā)生了塑性變形, 力-位移曲線也呈現(xiàn)非線性變化的趨勢(shì), 一直持續(xù)到該燃料藥柱試樣所能承受的最大壓力43 kN, 此時(shí)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓縮裝置的位移量約為1.1 mm。若繼續(xù)對(duì)燃料藥柱試樣施加位移載荷, 力-位移曲線就呈下降趨勢(shì), 這表明燃料藥柱試樣此時(shí)已經(jīng)開始發(fā)生損傷破壞, 其內(nèi)部或表面已產(chǎn)生裂紋。

2.2 材料參數(shù)

燃料藥柱試樣為各向同性的均質(zhì)材料, 通過力學(xué)性能試驗(yàn)和DIC技術(shù), 獲得的藥柱材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)列表

2.3 力學(xué)本構(gòu)模型驗(yàn)證

為了保證燃料藥柱力學(xué)本構(gòu)模型選取的合理性, 首先需要采用該模型對(duì)燃料藥柱試樣進(jìn)行仿真計(jì)算, 并比較試樣的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果, 驗(yàn)證力學(xué)本構(gòu)模型的合理性。在有限元分析軟件中建立燃料藥柱試樣受壓的物理模型, 并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 如圖4所示。將萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上下壓頭視為剛體部件。燃料藥柱試樣共劃分為71 036個(gè)六面體單元。

圖4 燃料藥柱試樣三維有限元模型

2.4 結(jié)果對(duì)比

將燃料藥柱試樣試驗(yàn)得到的力-位移曲線和基于本構(gòu)模型仿真得到的力-位移曲線進(jìn)行對(duì)比, 如圖5所示?？梢钥闯? 在壓縮速率恒定的條件下, 仿真和試驗(yàn)結(jié)果在燃料藥柱試樣發(fā)生損傷前的彈塑性階段比較吻合, 均在點(diǎn)達(dá)到了最大承載壓力, 約43 kN; 在點(diǎn)以后, 由于燃料藥柱試樣開始發(fā)生損傷, 力-位移曲線呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。為了保證水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性, 需要確保燃料藥柱所承受的最大壓力不大于點(diǎn)處的壓力值, 下降階段并不代表研究中燃料藥柱的主要力學(xué)特性, 所以可不考慮點(diǎn)以后燃料藥柱的受力情況。從整體趨勢(shì)來看, 仿真和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合, 說明了本構(gòu)模型的適用性。

圖5 試驗(yàn)和本構(gòu)模型仿真結(jié)果對(duì)比

圖6為DIC檢測(cè)得到的燃料藥柱試樣破壞模式, 可以看出, 燃料藥柱試樣中間部位的應(yīng)力值明顯低于其他部位, 剪切帶方向與水平方向間的夾角約為45°。

圖7展示了燃料藥柱試樣在壓縮過程中4個(gè)典型時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖。通過對(duì)比圖7(a)和(b)可看出, 在以3 mm/min的恒定加載速率對(duì)燃料藥柱進(jìn)行加載時(shí), 當(dāng)加載時(shí)間達(dá)到32.42 s, 燃料藥柱試樣中間部位的應(yīng)力值出現(xiàn)明顯下降, 表明該部位已發(fā)生損傷。根據(jù)損傷帶的形狀可判定燃料藥柱試樣的破壞形式為剪切損傷; 若繼續(xù)施加載荷, 當(dāng)加載時(shí)間為32.47 s時(shí), 由圖7(c)可看出, 此時(shí)燃料藥柱試樣中間一部分單元已被刪除, 出現(xiàn)了明顯的宏觀裂紋, 該位置的應(yīng)力值也因此急劇下降, 裂紋方向與水平方向間的夾角約45°; 為了研究損傷的發(fā)展, 進(jìn)一步加載, 由圖7(d)可看出, 圖7(c)中出現(xiàn)的裂紋沿著45°方向繼續(xù)擴(kuò)展, 直至整個(gè)燃料藥柱試樣完全破壞, 這與圖6的試驗(yàn)結(jié)果一致。綜上可以證明燃料藥柱力學(xué)本構(gòu)模型選擇是合理的。

圖6 燃料藥柱試樣破壞模式

圖7 加載過程中不同時(shí)刻應(yīng)力云圖

3 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃料藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析

3.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

采用上述力學(xué)本構(gòu)模型對(duì)210 mm口徑水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料藥柱結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行仿真分析。燃料藥柱置于活塞和限位擋塊之間, 一端受到活塞的推動(dòng), 另一端局部受到限位擋塊的擠壓, 限位擋塊為8個(gè)大小相同的圓柱體結(jié)構(gòu), 其余部分受到燃?xì)鈮簭?qiáng)作用。由于燃料藥柱是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu), 為了提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量, 加快仿真計(jì)算速度, 根據(jù)對(duì)稱性準(zhǔn)則, 把燃料藥柱均勻地分成完全對(duì)稱的8等份, 每一份的夾角為45°, 取其中的一份建立三維有限元計(jì)算模型, 并在模型的一側(cè)施加對(duì)稱邊界條件。對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 考慮到限位擋塊與燃料藥柱的接觸, 對(duì)該區(qū)域附近劃分了更細(xì)的網(wǎng)格。建立了燃料藥柱三維局部有限元模型, 燃料藥柱劃分成453 219個(gè)六面體單元, 如圖8所示。

圖8 燃料藥柱三維局部有限元模型

3.2 載荷與邊界條件

由于限位擋塊與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體相連, 且擋塊的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燃料藥柱的剛度, 在仿真中給擋塊施加剛體約束和完全固定約束, 限制其6個(gè)方向的自由度。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí), 在流體動(dòng)壓作用下, 活塞一端會(huì)受到水的壓強(qiáng)作用, 達(dá)到額定工況后, 活塞對(duì)燃料藥柱的作用力為101.8 kN, 同時(shí)燃料藥柱其他方向受到3 MPa的燃?xì)鈮簭?qiáng)。針對(duì)此工況, 對(duì)活塞一側(cè)的燃料藥柱端面施加大小為101.8 kN的壓力, 對(duì)擋塊一側(cè)的端面和燃料藥柱周向施加大小為3 MPa的均布?jí)簭?qiáng)。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算, 得到了燃料藥柱的力學(xué)響應(yīng)特性。圖9反映了燃料藥柱在整個(gè)加載過程中的力-位移變化情況, 可以看出該曲線尚未出現(xiàn)下降階段, 說明燃料藥柱在該典型工況下只發(fā)生了彈塑性變形, 其內(nèi)部或表面沒有產(chǎn)生裂紋破壞, 滿足結(jié)構(gòu)完整性要求。

圖9 燃料藥柱力-位移曲線

圖10反映了燃料藥柱的應(yīng)力分布情況, 從圖中可以明顯看出, 在燃料藥柱與擋塊接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象, 且燃料藥柱與擋塊接觸區(qū)域內(nèi)側(cè)邊緣處的應(yīng)力值大于外側(cè)邊緣處的應(yīng)力值。為減小此處的應(yīng)力值, 在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)允許的條件下, 可增加擋塊與燃料藥柱接觸面積。在軸向上, 活塞附近區(qū)域的燃料藥柱和擋塊附近區(qū)域的燃料藥柱所受到的應(yīng)力均比燃料藥柱中間部位所受到的應(yīng)力大, 活塞附近區(qū)域的燃料藥柱應(yīng)力值大約為1 MPa, 擋塊附近區(qū)域的燃料藥柱應(yīng)力值大約為2～4 MPa, 這主要是由于擋塊附近區(qū)域的燃料藥柱存在應(yīng)力集中。

圖11和圖12分別反映了燃料藥柱徑向和軸向的變形情況, 由圖11可知燃料藥柱由于周向受到了燃?xì)獾膲簭?qiáng)作用, 整體的徑向尺寸變小, 在遠(yuǎn)離擋塊附近區(qū)域的燃料藥柱均處于收縮狀態(tài), 最大徑向收縮量為0.078 3 mm。與燃料藥柱所受最大應(yīng)力位置相同, 燃料藥柱的徑向最大擴(kuò)張量出現(xiàn)在了其與擋塊接觸區(qū)域內(nèi)側(cè)邊緣處, 大小為0.0271 mm, 遠(yuǎn)小于燃料藥柱和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)表面的間隙, 兩者不會(huì)發(fā)生接觸; 由圖12可以看出燃料藥柱由于受到活塞和擋塊的擠壓作用, 在軸向上整體處于壓縮狀態(tài), 在燃料藥柱與擋塊接觸區(qū)域, 燃料藥柱軸向位移量達(dá)到最大值0.023 mm, 相對(duì)于燃料藥柱實(shí)際的運(yùn)動(dòng)路程可忽略不計(jì)。綜上所述, 在此典型工況下, 該燃料藥柱滿足結(jié)構(gòu)完整性要求。

圖10 燃料藥柱應(yīng)力分布云圖

圖11 燃料藥柱徑向位移分布云圖

圖12 燃料藥柱軸向位移分布云圖

結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)燃料藥柱試樣進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)和DIC損傷監(jiān)測(cè), 獲得了材料的基本參數(shù)以及破壞模式; 根據(jù)所選的力學(xué)本構(gòu)模型對(duì)燃料藥柱試樣的壓縮過程進(jìn)行了仿真計(jì)算, 通過試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比, 驗(yàn)證了燃料藥柱力學(xué)本構(gòu)模型選擇的合理性, 為水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃料藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析提供了理論依據(jù)。

對(duì)典型工況下燃料藥柱結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行了分析, 仿真結(jié)果表明燃料藥柱在該典型工況下不會(huì)發(fā)生破壞, 燃料藥柱徑向和軸向的變形程度符合發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)要求。由于應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在, 燃料藥柱最大應(yīng)力和最大徑向位移均出現(xiàn)在了燃料藥柱與擋塊接觸區(qū)域內(nèi)側(cè)邊緣處。

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Analysis of Structural Integrity for the Hydro-reactive Metal Fuel Motor Grainl

WANG Zhi-long1, HAN Xin-bo1, QIAO Hong1, YIN Shao-ping1, HAN Ai2, LEI Ming2

(1.The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China,2. School of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

To study the structural integrity of a high-inclusion ratio grainl for a torpedo hydro-reactive metal fuel motor under local limit conditions, the mechanical properties of the grainl sample are tested, and the mechanical parameters are obtained. The numerical analysis model for the grainl sample is established using finite element software, and the simulation results are compared with the test results, which verified the rationality of the established constitutive model of grainl. The structural integrity of the hydro-reactive metal fuel motor grainl is analyzed using the constitutive model, and the force displacement curve, stress distribution, and displacement contour of the grainl are obtained. The simulation results indicate that the grainl is not damaged under typical working conditions, and the radial and axial deformation of the grainl can meet the requirements of the structure for a hydro-reactive motor.

torpedo; hydro-reactive metal fuel motor; structural integrity for grainl; finite element analysis

TJ630.32; TQ56

A

2096-3920(2021)06-0695-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.008

王志龍, 韓新波, 喬宏, 等. 水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(6): 695-701.

2021-05-28;

2021-07-20.

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(52090051).

王志龍(1996-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)槟茉磩?dòng)力推進(jìn)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)