固体火箭发动机柔性喷管热分析、静动力响应与实验研究

摘要

柔性喷管是固体火箭发动机的能量转换部件，同时又承担着推力向量调节功能，是集结构与功能为一体的固体火箭发动机关部件之一。但因其设计和力学基础还不很成熟，要提高柔性喷管的设计水平、增加喷管的冲质比和改进力装置的性能，该文基于这一要求，针对柔性喷管整体结构，完成了以下几项研究工作:首先，在喷管的热分析方面，结合喷管的实际工作特点，考虑到喷管传热中的主要因素，就含复合材料喷管整体结某全碳碳扩张段结构模型，用有限元法进行了轴对称情况下的瞬温度场计算。其次，根据柔性喷管纤维缠绕扩张段的结构特点，提出了一种纤维缠绕变厚度板壳的复合材料单元，在充分利用实验数据的基础上，对柔性喷管的支撑机构柔性接头进行了合理的简化，以弹簧系统取代柔性接头，在此基础上建立了柔性喷管的结构分析模型。再次，关于自由振动和模态分析研究方面，选用前面提到的特殊的纤维缠绕变厚度壳体的复合材料单元，用大型特征值问题求解的子空间迭代法，对固定支撑的锥筒式扩张段柔性喷管和柔性支撑的分体式扩张段喷管整体结构进行了自由振动和模态分析。最后，为了验证前面的理论分析计算结果，进行了柔性喷管的静力刚度实验和自振频率实验，并与计算结果相比较，证明计算模型是合理的、结果是可信的。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1工程背景和选题的意义

1.2复合材料柔性喷管结构分析现状

1.3本文的主要工作

第二章复合材料柔性喷管瞬态温度场分析

2.1前言

2.2瞬态温度场求解基本理论

2.2.1热传导问题描述

2.2.2有限元公式

2.2.3非线性瞬态问题的求解

2.3喷管温度场边界条件与初始条件

2.3.1瞬态传热方程的简化和边界条件

2.3.2对流换热系数的计算

2.4复合材料结构喷管瞬态温度场分析

2.4.1柔性喷管结构瞬态温度场分析

2.4.2全碳/碳扩张段喷管瞬态温度场分析

2.4.3计算结果与实验结果比较

2.5小结

第三章柔性喷管的静态刚度和强度研究

3.1引言

3.2特殊的复合材料板壳单元

3.2.1引言

3.2.2基本假定与单元性能

3.2.3应力—应变关系矩阵

3.2.4单元插值函数与数值积分

3.2.5算例

3.3几何非线性有限元法

3.3.1板壳几何大变形下的应变-位移关系

3.3.2带预测的弧长控制法

3.4柔性喷管的计算模型

3.4.1柔性喷管结构

3.4.2柔性支撑的简化

3.5控制力作用柔性喷管的强度和刚度分析

3.5.1锥筒式扩张段柔性喷管

3.5.2分体式扩张段柔性喷管

3.6小结

第四章柔性喷管自由振动分析

4.1引言

4.2大型结构特征值问题求解的有限元法

4.2.1概述

4.2.2大型广义特征值问题求解的子空间迭代法

4.3喷管固有频率和模态分析

4.3.1锥筒式扩张段喷管固有频率和模态分析

4.3.2分体式扩张段喷管固有频率和模态分析

4.4小结

第五章柔性喷管动力响应研究

5.1引言

5.2结构有限元动力分析方法

5.2.1有限元动力方程质量矩阵和阻尼矩阵

5.2.2非线性有限元动力方程的解法

5.3作动器冲击力作用下的柔性喷管动力响应研究

5.3.1计算模型和随动力载荷的处理

5.3.2不同信号冲击力作用下的柔性喷管响应研究

5.4小结

第六章柔性喷管静力刚度和自由振动实验

6.1引言

6.2柔性喷管静力刚度实验

6.2.1实验主要设备

6.2.2扭转刚度实验

6.2.3扩张段出口变形

6.3喷管的自由振动实验

6.4小结

第七章结论与建议

7.1全文结论

7.2建议

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研项目

参考文献