再生冷却推力室热机疲劳寿命预测研究

摘要

针对液体火箭发动机再生冷却推力室内壁结构多发的“狗窝”失效问题,仿真再现循环载荷下塑性应变累积的棘轮效应,并定量分析其对推力室内壁结构寿命的影响。对推力室内壁进行三维传热分析,在传热分析结果的基础上对该结构在循环载荷下的应力应变演化进行非线性平面应变有限元分析。根据有限元分析结果,对内壁结构的棘轮效应展开描述并计算棘轮损伤,分别使用Morrow修正模型、Norton蠕变模型计算其低周疲劳损伤及蠕变损伤。基于Miner线性累积损伤理论,提出了综合考虑棘轮损伤、低周疲劳损伤及蠕变损伤的推力室内壁结构寿命预估方法。结果表明:喉部附近内壁下表面中点处会最先失效破坏,推力室内壁结构使用寿命为33次;在导致该点的总损伤中,棘轮损伤、蠕变损伤和低周损伤分别占比52%、32%和16%,说明了棘轮效应是导致推力室结构失效的主要原因。所提研究方法对液体火箭发动机再生冷却推力室结构的寿命定量分析、优化设计及未来可重复使用火箭发动机设计提供重要的工程参考。