球窝喷管性能分析

摘要

本课题的研究对象-某型号固体火箭发动机球窝喷管,属我国新一代先进常规战术导弹的Ⅱ级固体火箭发动机的轻质化、高精度、大载荷的推力向量控制(ThrustVectorControl-TVC)系统。其功能是为某型号固体火箭发动机通过燃气提供可控轴向和侧向飞行推力,以保证飞行器稳定性、按规定弹道飞行或作必要机动飞行。球窝喷管是固体火箭发动机的机械动力装置,是导弹弹体的重要组成部分,是实现对飞行器控制的最终环节,关系到飞行的成败。某型号固体火箭发动机TVC系统-球窝喷管的全轴摆动运动通过大尺寸(Φ≥300mm)球面的阳球和阴球等组成的接头来实现。接头即是TVC系统活动体和固定体的联接件,又是载荷支撑件。系统运动中,在大载荷作用下,接头受力状态比较复杂。决定接头动态性能的接触力分布、摆心漂移量及系统作动力矩预报问题;决定接头接触承载性能的接触应力、接触变形问题,是决定系统功能发挥的关键问题,其具体的研究方法和研究内容是目前该型号TVC系统尚未解决的关键问题,是本文主要研究目标。本课题的主要研究内容有:第一.基于Pro/E软件,建立球窝喷管整机模型,为系统刚柔耦合动力学分析提供几何模型。第二.基于虚拟样机技术,建立球窝喷管接头参数化接触模型、刚柔耦合多体动力学模型。以正弦波激励方式,计算分析不同载荷作用下,系统运动中,阴、阳球间接触力的大小及分布规律、摆心漂移量和系统作动力矩。第三.采用计算流体动力学方法,计算了喷管内壁面压力分布;基于有限元分析软件ANSYS,建立球窝喷管接触有限元计算模型,计算分析球窝喷管接头接触应力和接触变形。通过课题研究,分别采用多体系统动力学、计算流体动力学和接触问题的有限元法,计算分析了该型号固体火箭发动机球窝喷管理论及试验难以解决的关键问题;形成了多学科综合的研究体系和研究方法;渴望在现有材料的基础上,进一步完成型号设计,提高经济效益和设计效率。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题研究的意义和目的

1.3 国内外研究现状、发展趋势及分析

1.3.1 多体动力学研究现状、发展趋势及分析

1.3.2 接触问题研究现状、发展趋势及分析

1.3.3 固体火箭发动机TVC 系统的研究现状、发展趋势及分析

1.4 课题研究对象—球窝喷管简介

1.5 课题主要研究工作

本章小结

第二章 球窝喷管多体动力学计算分析

2.1 全尺寸球窝喷管几何模型

2.2 球窝喷管刚柔耦合动力学建模

2.3 系统刚柔耦合多体动力学理论

2.3.1 多刚体系统动力学

2.3.2 多柔体系统动力学

2.3.3 刚柔耦合多体动力学方程求解

2.3.4 接头接触模型

2.3.5 接头参数化接触建模

2.4 球窝喷管刚柔耦合多体动力学计算结果及分析

2.4.1 运动状态

2.4.2 系统摆角

2.4.3 活动体质心运动规律

2.4.4 接头接触力

2.4.5 系统作动力矩

本章小结

第三章 球窝喷管壁面压力

3.1 喷管内流场计算模型

3.1.1 时均连续方程

3.1.2 动量方程（RANS 方程）

3.1.3 能量方程

3.1.4 ν~ 输运方程

3.1.5 材料属性和边界条件

3.2 喷管内流场数值计算结果及分析

3.2.1 网格划分、方程求解

3.2.2 喷管内壁面压力计算结果及分析

本章小结

第四章 球窝喷管接头接触性能计算分析

4.1 弹塑性摩擦接触问题的Lagrange 乘子法

4.1.1 弹塑性摩擦接触有限元控制方程

4.1.2 接触界面模型

4.1.3 接触条件

4.2 球窝喷管有限元模型

4.3 球窝喷管有限元计算结果及分析

4.3.1 接触应力

4.3.2 接触变形

4.3.3 等效Mises 应力

本章小结

第五章 全文结论与展望

5.1 全文结论

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简介

硕士期间发表论文