镁合金带解锁装置热冲击断裂特性及拓扑优化

摘要

分析了镁合金带解锁装置在发动机高温高压尾喷气流作用下的断裂特性并进行了拓扑优化设计。首先，构建了发动机喷管尾部受镁合金带阻挡的二维、可压缩、非定常流场分析模型，得到不同时刻镁合金带表面特征点处的压力曲线和温度曲线；其次，基于有限元法分别计算初始构型镁合金带在尾喷气流压力和温度共同作用下的响应，分析不同因素对镁合金带断裂特性的影响；之后，基于“薄弱环节”的思想设计了5种构型的镁合金带，并基于Johnson-Cook失效模型和瞬态分析过程分别得到其在热冲击环境下的断裂时间；最后，基于所发展的具有双层嵌套特征的变密度法对镁合金带中部受热冲击区域进行拓扑优化，以材料剩余体分比为优化变量并以规定的断裂时间为目标，得到镁合金带的最优拓扑构型。基于几何重构进行了验证，优化后的镁合金带能够满足设计要求。