纤维缠绕复合材料固体火箭发动机壳体的数值模拟分析

摘要

纤维缠绕复合材料壳体的设计和分析难度较高，但由于它的诸多优良特性和令人瞩目的应用前景，已经逐渐成为先进固体火箭发动机研究的重要内容。目前国际上对固体火箭发动机复合材料壳体的研究仍在不断深入，而我国对复合材料壳体的研究，尤其是数值分析工作方面还处于起步阶段。本文针对型号固体火箭发动机的纤维缠绕复合材料壳体水压爆破压强偏低问题，结合水压试验数据，对复合材料壳体进行了有限元数值分析。本文具体的研究成果如下：
　　1、分析了纤维缠绕复合材料壳体的结构特点及其在固体火箭发动机上的应用趋势，指明了纤维缠绕材料壳体的优点、缺点以及在应用中必须解决的主要问题。
　　2、针对型号固体火箭发动机研制阶段出现的纤维缠绕复合材料壳体水压爆破压强偏低的问题，应用有限元法进行了数值模拟研究。本课题首先采用二维有限元模型对壳体的应力和变形状态进行初步分析，在局部网格细化、特殊相邻单元的处理、边界条件等问题上都采用了合理有效的处理方法，计算数据与试验测试数据吻合较好。
　　3、根据二维有限元计算结果，结合水压试验数据进行分析，找出了该壳体设计中的应力集中区域，并提出了改进措施。
　　4、在二维有限元模型基础上，进一步研究了适合纤维缠绕复合材料壳体三维结构分析的层合结构单元类型，建立了封头结构的三维有限元模型，得到了封头区域的复杂应力和变形状态。

目录

纤维缠绕复合材料固体火箭发动机壳体的数值模拟分析

NUMERICAL SIMULATION ANALYSISON FIBER ENLANCED COMPOSITEMATERIALS SHELL APPLIED IN SOLIDROCKET MOTOR

摘要

Abstract

第1 章 绪论

1.1 复合材料的基本性质

1.1.1 复合材料的定义

1.1.2 复合材料的特点

3 2 B1.1.3 复合材料的性能

1.2 复合材料在固体火箭发动机壳体中的应用

1.2.1 玻璃纤维复合材料

1.2.2 芳纶纤维复合材料

1.2.3 碳纤维复合材料

1.3 复合材料结构设计的方法与发展趋势

1.4 本文的主要研究内容

1.4.1 目的和意义

1.4.2 本课题所解决的问题

1.4.3 本文的内容安排

第2 章 纤维缠绕固体火箭发动机壳体结构分析

2.1 纤维缠绕固体火箭发动机壳体的结构特点

2.2 固体火箭发动机的质量比与燃烧室壳体的特征因子

2.2.1 固体火箭发动机的质量比

2.2.2 燃烧室壳体的特征因子

2.3 纤维缠绕复合材料壳体的结构分析

2.3.1 结构分析方法

2.3.2 网格理论

2.4 本章小结

第3 章 复合材料壳体水压爆破试验及其数值分析

3.1 研究背景及试验情况

3.1.1 研究背景

3.1.2 试验情况

3.2 二维纤维缠绕复合材料壳体的有限元建模

3.3 有限元计算数据与试验数据对比

3.3.1 水压检验的实测数据

3.3.2 有限元计算结果

3.4 理论分析与改进技术措施

3.4.1 理论分析

3.4.2 改进技术措施

3.5 本章小结

第4 章 复合材料三维壳体的有限元分析

4.1 单元的选择及网格划分

4.1.1 单元的选择及网格划分

4.1.2 三维计算模型

4.1.3 边界条件与约束条件

4.1.4 载荷的施加

4.2 计算结果及其分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

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致谢

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