复合结构喷管强度分析与结构优化

摘要

本文以某销钉连接的复合结构喷管为研究对象，对其进行强度分析与结构优化设计。该结构特点是当发动机异常工作引起燃烧室压强高于壳体材料强度极限之前，喷管连接处的销钉首先发生断裂，将喷管甩出，使燃气通道面积增大，燃烧产物能够快速喷出，能够有效地保护发射阵地。采用有限体积法对喷管内流场进行了计算，采用有限元法进行了长尾管与喷管的销钉连接处和燃烧室与长尾管的键连接处的强度分析，对喷管结构进行了瞬态热分析，采用顺序耦合法进行了热—结构耦合分析，采用响应曲面法对喷管壳体进行了优化设计与敏感度分析。主要工作内容如下： 1)分析了喷管内壁面温度与压强随轴线距离变化的函数关系。研究结果表明：温度与压强在轴向方向上趋势大致相同，与轴向距离的关系为非线性，均呈下降趋势，在喷管喉部位置，有一个平缓的阶段，随后在喉部与扩张段的交界处出现明显的突变，是分析喷管强度的重要因素。 2)分别对复合结构喷管的连接销钉与燃烧室结构的连接键进行了强度分析，得到了二者应力场分布。探究了结构达到破坏的最大压强载荷。研究结果表明：复合结构喷管的最大应力值出现在连接销钉上，较高于连接键处的应力场所有值，小于材料的强度极限；在发动机正常工作时燃烧室压强的作用下，结构保持完整；燃烧室压强提高 17.4％时，销钉应力达到强度极限，结构发生破坏；水压试验后的发动机燃烧室壳体、长尾管壳体和连接部分结构是完整的，均未发生明显变形，说明结构满足强度要求。 3)分别对结构进行瞬态热分析与热—结构耦合分析，研究同时考虑温度与压强载荷共同作用对结构应力和变形的影响。研究结果表明：复合结构喷管整体及各个零部件出现的最大应力位置没有明显变化，连接销钉的最大应力值增大，温度载荷对非金属材料变形影响较小，对金属材料变形影响相对明显。 4)对喷管壳体进行了优化设计。研究结果表明：长尾管壳体末端位置尺寸优化效率最小，喷管壳体末端位置尺寸优化效率最大；喷管优化后总质量减轻了0.01kg，优化效率为 2.7%，喷管壳体前端壁厚对喷管总质量影响最大；长尾管壳体末端壁厚对喷管壳体的最大应力影响最大。

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