關(guān)鍵詞:固體火箭發(fā)動機(jī);蠕變;拓?fù)鋬?yōu)化;有限元方法
0 引言
在整個壽命周期里,固體火箭發(fā)動機(jī)絕大多數(shù)時間處于貯存狀態(tài),藥柱長期受重力影響會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。特別是在立式貯存的過程中,推進(jìn)劑將一直處于承受較高應(yīng)力的狀態(tài),可能導(dǎo)致藥型變化、藥柱性能老化以及安全系數(shù)降低等問題。林聰妹等[1-2]用電子萬能試驗機(jī)和動態(tài)力學(xué)分析儀分別研究了三氨基三硝基苯基高聚物黏結(jié)炸藥及其改性配方的蠕變行為,得到了推進(jìn)劑蠕變?nèi)崃恐髑€;鄧曠威等[3]采用MSC.Marc軟件計算了臥式與立式貯存工況下固體火箭發(fā)動機(jī)的最大主應(yīng)力,得到了蠕變損傷程度與應(yīng)力大小正相關(guān)的結(jié)論;WANG等[4]開展了等應(yīng)力幅值往復(fù)拉伸試驗和相互作用試驗,驗證了加載應(yīng)力與蠕變破壞時間成對數(shù)線性關(guān)系;賈衛(wèi)東等[5]研究了固體火箭發(fā)動機(jī)界面在長期貯存過程中可能出現(xiàn)的脫粘情況及不同脫粘情況對發(fā)動機(jī)工作安全性的影響;王永帥等[6]對艦載立式貯存導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)蠕變損傷進(jìn)行研究,通過有限元計算,得出蠕變占藥柱總變形的60%以上。大量研究結(jié)果均表明,在經(jīng)歷長期貯存后,發(fā)動機(jī)受蠕變效應(yīng)影響嚴(yán)重,迫切需要探究適當(dāng)方式來抵消蠕變效應(yīng)產(chǎn)生的不良影響,提高發(fā)動機(jī)的壽命上限。
近年來,學(xué)者們開展了采用特殊藥柱結(jié)構(gòu)以抑制蠕變方面的研究。如李磊等[7]開展了環(huán)形槽裝藥幾何參數(shù)的靈敏度分析研究,獲得了不同參數(shù)對藥柱應(yīng)變的影響;國鋒楠等[8]對含有可燃芯模結(jié)構(gòu)的環(huán)形槽藥柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,給出了可燃芯模的實現(xiàn)途徑;蒙上陽等[9-11]開展了不同載荷條件下含傘盤結(jié)構(gòu)的藥柱結(jié)構(gòu)設(shè)計工作,給出了傘盤曲面結(jié)構(gòu)、傘盤深度、傘盤寬度對藥柱應(yīng)變的影響,并進(jìn)行了傘盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。這些特殊結(jié)構(gòu),通過改變藥柱結(jié)構(gòu)形式,在一定程度達(dá)到了減小蠕變的目的,但其在工藝實現(xiàn)過程中存在諸多困難,同時,在外載荷作用下,存在應(yīng)力、應(yīng)變集中問題,易出現(xiàn)裂紋等缺陷[12]。
本文提出了一種在不改變長期立貯固體火箭發(fā)動機(jī)藥型的前提下,通過在藥柱中植入特定形狀的功能性可燃芯模(即“增強(qiáng)結(jié)構(gòu)”),來抑制藥柱蠕變的新方法。首先,通過三維數(shù)值模擬得到長期立貯固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱在固化降溫和立式自重載荷耦合作用下的蠕變分布規(guī)律;其次,對增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,得到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)型和基本尺寸;最后,對比分析拓?fù)鋬?yōu)化后增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗蠕變作用,得到最終優(yōu)化設(shè)計結(jié)果,并對固體火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行幾何重構(gòu)和靜力學(xué)驗證。
1 固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱蠕變分布
1.1 固體火箭發(fā)動機(jī)有限元模型
利用AnsysSpaceclaim軟件建立某型全尺寸固體火箭發(fā)動機(jī)三維幾何模型[13],如圖1所示。模型主要由殼體、絕熱層、襯層和藥柱四部分構(gòu)成。由于襯層厚度相對于絕熱層及殼體較薄,且襯層-絕熱層界面所受應(yīng)力應(yīng)變一般遠(yuǎn)小于藥柱-襯層界面,因此為簡化模型,可以僅保留絕熱層部位。由于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)具有幾何對稱性,且主要關(guān)注立式貯存條件下固體火箭發(fā)動機(jī)的內(nèi)部情況,其分布差距主要沿發(fā)動機(jī)軸向變化,因此,為提高計算效率,僅采用固體火箭發(fā)動機(jī)1/4模型進(jìn)行計算。
利用Hypermesh軟件對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用六面體網(wǎng)格,共有節(jié)點115431個,單元45843個。
指定殼體材料為高強(qiáng)度鋼,絕熱層材料為橡膠,藥柱為端羥基聚丁二烯(Hydroxyl-TerminatedPolybutadiene,HTPB)推進(jìn)劑。根據(jù)文獻(xiàn)[14],得到發(fā)動機(jī)殼體、絕熱層(襯層)和藥柱的原始材料參數(shù)如表1所示。
由于HTPB推進(jìn)劑具有明顯的黏彈性特征,其模量既是時間的函數(shù)也是溫度的函數(shù),經(jīng)典的彈性、彈塑性模型無法反應(yīng)形變的時間效應(yīng)[15]。因此,采用廣義Maxwell模型進(jìn)行計算,通過定應(yīng)變松弛試驗,獲取了松弛模量主曲線[16],擬合了5項Prony級數(shù)如式(1)所示,式中的各項參數(shù)見表2。
式中,t為松弛時間;Ei、τi為待定系數(shù);E0為推進(jìn)劑初始模量,E0=3.6MPa。
式中,C1=3.0903,C2=135.583;T0為參考溫度,T0=298K。
考慮發(fā)動機(jī)經(jīng)歷固化降溫后貯存,且固化降溫后產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)變和預(yù)應(yīng)力不可忽視,并持續(xù)影響后續(xù)立式貯存,因此施加載荷包括溫度載荷和重力載荷。溫度載荷由零應(yīng)力溫度58℃開始,經(jīng)24h緩慢降溫至20℃。同時,對模型整體施加重力載荷,方向由頭部指向尾部為正,即沿X軸方向為正。由于蠕變變形成指數(shù)上升,在短時間內(nèi)可達(dá)到極限值的95%以上,考慮到計算時間與效率問題,僅對其施加1000s的重力載荷。邊界條件為對殼體施加固定約束、對稱面施加無摩擦約束。
1.2 藥柱蠕變分布規(guī)律
在藥柱的蠕變分析中,重點關(guān)注其在長時間載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及變形行為[17]。經(jīng)計算,得到在固化降溫和立式自重載荷耦合作用下固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱的總變形、等效應(yīng)力和等效彈性應(yīng)變云圖如圖2所示。
經(jīng)過固化降溫和長期立式貯存后,在重力載荷作用下,固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱發(fā)生蠕變變形,藥柱整體發(fā)生沉降,使得固體火箭發(fā)動機(jī)兩端及側(cè)面粘接界面產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變。其中最大變形位于前翼,最大總變形量為23.299mm。整體來看前翼和后翼尤其是上端面的變形問題最為嚴(yán)重,應(yīng)著重關(guān)注。藥柱中孔及人工脫粘層應(yīng)力較大,最大等效應(yīng)力為0.13241MPa,最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.29952,位于上人工脫粘層前緣。這是由于藥柱變截面導(dǎo)致的應(yīng)力應(yīng)變集中??梢?,在長期立貯過程中,藥柱承受著一定的內(nèi)部壓力,使得藥柱的蠕變問題越發(fā)嚴(yán)重[18],迫切需要在其內(nèi)部植入增強(qiáng)結(jié)構(gòu),以起到釋放應(yīng)力和承受壓力的作用。
2 藥柱增強(qiáng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化
2.1 優(yōu)化設(shè)計方案
針對長期立貯固體火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的蠕變問題,本文提出在藥柱中植入增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的新方法,以達(dá)到抑制蠕變的效果。考慮到工藝實現(xiàn)問題,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用可澆注可燃芯模材料,裝藥完成后無需脫模,在發(fā)動機(jī)工作過程中隨藥柱一同燃燒消融。在材料選取過程中,選擇了燒蝕率大、與藥柱粘接性能良好的材料,同時燒蝕后殘渣少,減少對發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道的影響。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表3所示。
2.1.1 設(shè)計區(qū)域
由第1.2節(jié)靜力分析可知,在固化降溫和立式自重載荷耦合作用下,固體發(fā)動機(jī)藥柱在前翼和后翼附近的蠕變量達(dá)到最大值,等效應(yīng)力及等效彈性應(yīng)變最大值位于人工脫粘層端部。綜合分析藥柱的應(yīng)力、應(yīng)變和變形情況,其前翼和后翼部位為蠕變控制的關(guān)鍵部位??紤]增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在藥柱澆注以及貯存期間的工作要求,初步確定設(shè)計區(qū)域為發(fā)動機(jī)藥柱內(nèi)側(cè)表面所圍成的幾何區(qū)域,如圖3所示。設(shè)計區(qū)域的外表面與藥柱內(nèi)壁緊密貼合,作為藥柱澆注成形的模具。由于設(shè)計區(qū)域中心部分的支撐作用較弱,在初始設(shè)計中直接挖除,直徑暫定為200mm。考慮對稱性,在計算中僅取1/4模型進(jìn)行計算。
2.1.2 優(yōu)化設(shè)計工況
根據(jù)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在藥柱澆注以及貯存期間的工作要求,一共考慮了3種優(yōu)化設(shè)計工況,分別是藥柱澆注、固化降溫和蠕變發(fā)展。在藥柱澆注工況下,推進(jìn)劑尚未凝固,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)流體壓力。在固化降溫階段,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)溫度應(yīng)力。在蠕變發(fā)展階段,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)除了承擔(dān)溫度應(yīng)力以外,還需承擔(dān)藥柱蠕變引起的應(yīng)力增量。
2.1.3 優(yōu)化目標(biāo)及響應(yīng)約束
設(shè)計目標(biāo)是在多種載荷工況和約束條件下對發(fā)動機(jī)藥柱蠕變量進(jìn)行有效控制,同時使增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量盡可能降低,以減小增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道性能的影響??紤]到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的加工以及其燃燒對發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道的影響,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計還需要考慮最小尺寸和最大尺寸約束。因此,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是在考慮質(zhì)量約束和制造約束條件下的柔度優(yōu)化問題。
由于易于實現(xiàn)、收斂穩(wěn)定,變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的拓?fù)鋬?yōu)化方法[19]。因此,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計基于固體各向同性材料懲罰模型(SolidIsotropicMaterialwithPenalization,SIMP)變密度法,利用AnsysWorkBench軟件進(jìn)行,懲罰系數(shù)取為3,優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為minCompliance,即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度最大化,藥柱內(nèi)側(cè)位移值為模型邊界約束。
增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在發(fā)動機(jī)點火時可以完全自耗,但考慮到其對內(nèi)彈道的影響,以及材料價格問題,應(yīng)在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到要求的情況下對藥量進(jìn)行嚴(yán)格控制,以保證安全性和實用性,因此在拓?fù)鋬?yōu)化時取質(zhì)量約束響應(yīng)為15%。
2.2 拓?fù)鋬?yōu)化
2.2.1 藥柱澆注設(shè)計工況
在藥柱澆注設(shè)計工況,對增強(qiáng)結(jié)構(gòu)外表面施加靜水壓力,壓力量值根據(jù)推進(jìn)劑密度進(jìn)行計算,底部的最大壓力值約為0.406MPa,頂部的壓力值為0(圖4)。
藥柱澆注階段的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖5所示。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)由初始設(shè)計區(qū)域的實體模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭招谋”诮Y(jié)構(gòu),前翼和中段部分僅需厚約20mm的薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐即可,后翼部分除了外側(cè)薄壁結(jié)構(gòu)以外,尚需設(shè)置若干橫向肋板和縱向肋板,以保證該部分的結(jié)構(gòu)剛度。
2.2.2 固化降溫設(shè)計工況
在固化降溫階段,采用子模型技術(shù)進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換。將藥柱固化降溫對增強(qiáng)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的作用以邊界約束形式施加到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)子模型上(圖6),并對子模型網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,以得到更精確的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。
固化降溫階段的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖7所示。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)由初始設(shè)計區(qū)域的實體模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭招谋”诮Y(jié)構(gòu),前翼、后翼及部分中段區(qū)域需厚約20mm的薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐,部分中段區(qū)域除了外側(cè)薄壁結(jié)構(gòu)以外,需設(shè)置若干橫向肋板,以保證該部分的結(jié)構(gòu)剛度。
2.2.3 蠕變發(fā)展設(shè)計工況
在蠕變發(fā)展階段,采用與固化降溫階段相同的處理方法進(jìn)行子模型分析和拓?fù)鋬?yōu)化(圖8)。經(jīng)過迭代計算,優(yōu)化過程得到收斂,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量為初始質(zhì)量的15%。
蠕變發(fā)展階段的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖9所示,拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果與固化降溫階段較為接近。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)由初始設(shè)計區(qū)域的實體模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭招谋”诮Y(jié)構(gòu),前翼、后翼及部分中段區(qū)域需厚約20mm的薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐,部分中段區(qū)域除了外側(cè)薄壁結(jié)構(gòu)以外,尚需設(shè)置若干橫向肋板,以保證該部分的結(jié)構(gòu)剛度。
2.3 優(yōu)化結(jié)果分析及驗證
2.3.1 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型
由優(yōu)化結(jié)果可見,不同工況下的固體火箭發(fā)動機(jī)受力情況不同,得到的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型也有一定的差異。綜合分析藥柱澆注、固化降溫和蠕變發(fā)展3個階段的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的有效構(gòu)型為空心薄壁結(jié)構(gòu),并需要在后翼或中段部分設(shè)置若干縱肋和橫肋,以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。因此,選取以下3種可能的結(jié)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行對比分析。其中,構(gòu)型A為20mm空心薄壁結(jié)構(gòu),中端部分設(shè)置若干50mm橫肋;構(gòu)型B為20mm空心薄壁結(jié)構(gòu),后翼位置設(shè)置20mm若干縱肋;構(gòu)型C為5mm空心薄壁結(jié)構(gòu),后翼設(shè)置若干20mm縱肋,中端部分設(shè)置若干50mm橫肋。3種構(gòu)型質(zhì)量相當(dāng),均符合拓?fù)鋬?yōu)化的約束條件,且對藥柱抗蠕變效應(yīng)有一定的效果,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型的三維模型如圖10所示。
2.3.2 計算結(jié)果對比
將上述3種構(gòu)型的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱抗蠕變作用進(jìn)行對比分析。分別將優(yōu)化后的3種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到固體火箭發(fā)動機(jī)模型中,施加與第2.1節(jié)相同的載荷與約束,進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析,計算后得到含增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱的總變形、等效應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變云圖。
含3種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的固體火箭發(fā)動模型在長期立貯作用下的藥柱總變形結(jié)果如圖11所示。可見3種模型的總變形趨勢基本一致,最大總變形出現(xiàn)在前翼上端部,分別為19.549、16.001、13.651mm,與無增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的藥柱總變形相比均有一定程度的減小。其中,構(gòu)型C的下降程度最為明顯。
圖12給出了3種模型的等效應(yīng)力云圖??梢姴煌瑯?gòu)型的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)不僅會使藥柱等效應(yīng)力在數(shù)值上存在差異,且最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置也有很大的不同。其中,構(gòu)型A會導(dǎo)致藥柱后翼底部產(chǎn)生應(yīng)力集中,無法達(dá)到釋放藥柱內(nèi)部應(yīng)力的作用,不符合設(shè)計要求;含構(gòu)型B和構(gòu)型C的藥柱最大等效應(yīng)力為0.101MPa和0.0943MPa,較無增強(qiáng)結(jié)構(gòu)藥柱下降約23.75%和28.77%,對發(fā)動機(jī)內(nèi)部應(yīng)力有一定的釋放作用。
含不同構(gòu)型增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的藥柱等效應(yīng)變云圖如圖13所示??梢?,與總變形情況相同,增加增強(qiáng)結(jié)構(gòu)后,藥柱內(nèi)部應(yīng)變水平均有降低趨勢,最大彈性應(yīng)變分別為0.27461、0.27438、0.21431,構(gòu)型C對于減小藥柱等效應(yīng)變的效果明顯優(yōu)于構(gòu)型A、構(gòu)型B。
2.3.3 結(jié)果驗證
綜合對比分析3種構(gòu)型對藥柱總變形、等效應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變的影響,發(fā)現(xiàn)構(gòu)型C增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對于長期立貯固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱降低應(yīng)力、應(yīng)變,尤其是減小蠕變變形的效果最為顯著,因此選擇構(gòu)型C作為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計最終方案,得到含增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的固體火箭發(fā)動機(jī)模型(圖14)。
有無增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的固體火箭發(fā)動機(jī)靜力學(xué)計算結(jié)果如表4所示,與無增強(qiáng)結(jié)構(gòu)相比,含增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱在長期立貯狀態(tài)下總變形量大幅度變小,由23.299mm降低為13.651mm,下降約41.41%??梢娫鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)可有效消除長期重力載荷作用下發(fā)動機(jī)藥柱內(nèi)部產(chǎn)生的蠕變位移。同時,其等效應(yīng)力和等效彈性應(yīng)變也有降低趨勢。最大等效應(yīng)力由0.13241MPa降低為0.09432MPa,下降約28.77%;最大等效彈性應(yīng)變由0.29952降低為0.21431,下降約28.45%。最大應(yīng)力位置由脫粘層變?yōu)榍耙砦恢?,且整體分布更加符合理想效果,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對于藥柱內(nèi)部應(yīng)力有較好的釋放作用。因此,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對于降低固體火箭發(fā)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變,尤其是減小蠕變變形有較好的效果。
3 結(jié)論
以長期立貯固體火箭發(fā)動機(jī)為研究對象,為解決蠕變效應(yīng)對其力學(xué)性能的影響,延長貯存壽命,進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計,提出在其中加入增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的新方法,以改善內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變環(huán)境。為達(dá)到最優(yōu)效果,對增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,得到如下結(jié)論:
1)經(jīng)過固化降溫和長期立式貯存后,固體火箭發(fā)動機(jī)藥柱最大變形位于前翼,最大總變形量為23.299mm。最大等效應(yīng)力為0.13241MPa,位于上脫粘層。最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.29952,位于人工脫粘層前緣。蠕變效應(yīng)對長期貯存固體火箭發(fā)動機(jī)的力學(xué)性能有嚴(yán)重影響。
2)在靜力學(xué)分析基礎(chǔ)上,進(jìn)行藥柱抗蠕變增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,對其進(jìn)行了多工況下的變密度拓?fù)鋬?yōu)化。綜合藥柱澆注、固化降溫和蠕變發(fā)展3個階段的優(yōu)化結(jié)果,設(shè)計了3種質(zhì)量相當(dāng),均符合拓?fù)鋬?yōu)化約束條件,且對藥柱抗蠕變效應(yīng)有一定效果的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型,并分別對其進(jìn)行仿真計算。
3)對比分析拓?fù)鋬?yōu)化后增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗蠕變作用,得到最終設(shè)計構(gòu)型為空心薄壁結(jié)構(gòu),并在后翼和中段部分設(shè)置若干橫肋和縱肋,以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。對固體火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行幾何重構(gòu),并進(jìn)行靜力學(xué)驗證。與無增強(qiáng)結(jié)構(gòu)相比,含增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的固體火箭發(fā)動機(jī)在長期立貯狀態(tài)下總變形大幅度減小,藥柱內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變也有降低趨勢,驗證了優(yōu)化方案的有效性。