艦載環(huán)境下固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面應(yīng)力變化特性研究?

劉敬虎 于 暢 董可海 唐巖輝

（1.91576部隊(duì) 寧波 315016）（2.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì) 煙臺(tái) 264001）（3.海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系 煙臺(tái) 264001）

艦載環(huán)境下固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面應(yīng)力變化特性研究?

劉敬虎1于 暢2董可海3唐巖輝3

（1.91576部隊(duì) 寧波 315016）（2.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì) 煙臺(tái) 264001）（3.海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系 煙臺(tái) 264001）

為研究連續(xù)航行狀態(tài)下艦船振動(dòng)對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，針對(duì)某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，分析了其在不同艦船振動(dòng)載荷作用下的界面剪切應(yīng)力變化特性，分析了不同海況下艦船振動(dòng)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面剪切應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明，固體發(fā)動(dòng)機(jī)界面剪切應(yīng)力變化周期受海況變化影響較小，基本維持在0.2s左右不變；不同海況作用下界面剪切應(yīng)力絕對(duì)值大約在5KPa-10KPa范圍內(nèi)變化，遠(yuǎn)低于界面剪切應(yīng)力強(qiáng)度值；隨著海況增加，界面剪切應(yīng)力變化幅值越來(lái)越大，其交變特性帶來(lái)的影響不可忽略。研究可為該型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壽命評(píng)估和延壽工作提供技術(shù)支持。

內(nèi)埋式傳感器；粘接試件；界面粘接強(qiáng)度

1 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為當(dāng)今戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器的主要?jiǎng)恿ρb置之一，具有重要的軍事地位，其性能好壞直接影響到武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)使用效能［1～6］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)壽命領(lǐng)域的工作，主要集中在貯存過(guò)程的推進(jìn)劑老化特性研究［7～10］。然而，隨著近年來(lái)新型艦載導(dǎo)彈越來(lái)越多的采用垂直發(fā)射系統(tǒng)，且艦載連續(xù)值班周期越來(lái)越長(zhǎng)，艦載值班過(guò)程中，固體發(fā)動(dòng)機(jī)垂向放置，艦艇振動(dòng)必然引起裝藥粘接界面的剪切應(yīng)力變化［11～15］，長(zhǎng)期的界面剪切應(yīng)力變化會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)界面損傷甚至脫粘，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命［16～20］。因此，有必要對(duì)艦載值班過(guò)程中界面剪切應(yīng)力的變化特性其進(jìn)行研究。本文針對(duì)典型海況下振動(dòng)載荷對(duì)界面剪切應(yīng)力的影響進(jìn)行計(jì)算，研究不同艦載環(huán)境下固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)界面剪切應(yīng)力變化特性，為該型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壽命評(píng)估和延壽工作提供技術(shù)支持。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 物理模型和材料性能參數(shù)

本文研究的對(duì)象是某反艦導(dǎo)彈固體助推器，其裝藥為五角星型內(nèi)孔裝藥，裝藥燃燒室主要由殼體、襯層、絕熱層、藥柱組成，其中還包括尾部人工脫粘層、頭部開(kāi)縫包覆套筒。由于只對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室側(cè)壁處的界面剪切損傷進(jìn)行研究，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，絕熱層的作用是防止發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)尾部殼體被燒穿，分析時(shí)暫不考慮。進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，主要分析對(duì)象為殼體、襯層、藥柱、包覆套筒，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取發(fā)動(dòng)機(jī)1∕10模型作為研究對(duì)象，如圖1所示。

研究用發(fā)動(dòng)機(jī)各材料性能參數(shù)如表1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

表1 材料特性參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)選取的1∕10發(fā)動(dòng)機(jī)模型按殼體、襯層、包覆套筒、藥柱分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，殼體、襯層、包覆套筒為彈性材料，采用C3D8T單元進(jìn)行有限元離散，藥柱為粘彈性材料，采用C3D4T單元進(jìn)行有限元離散。藥柱采用自由網(wǎng)格劃分，殼體、襯層、包覆套筒采用掃掠網(wǎng)格劃分。根據(jù)所選單元和網(wǎng)格劃分方法將藥柱劃分為62334個(gè)單元，襯層1100個(gè)單元，殼體1100個(gè)單元，包覆套筒390個(gè)單元，有限元網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.3 邊界及初始條件

1）位移邊界條件

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型施加的位移邊界條件如下：

（1）對(duì)稱邊界條件。在1∕10模型對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界條件，即模型對(duì)稱面上的法向位移為零。

（2）固定邊界條件。在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體外表面施加固定邊界條件，即殼體外表面的位移為零。

（3）自由邊界條件。藥柱內(nèi)表面、藥柱尾部的包覆面、脫粘面均與空氣接觸，暫不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)貯存時(shí)內(nèi)壓的作用，將其視為自由邊界。

（4）綁定約束。計(jì)算時(shí)認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)各界面粘接完好，對(duì)各粘接界面施加綁定約束。施加綁定約束的粘接界面如下：包覆套筒與藥柱粘接界面，襯層與藥柱、包覆套筒粘接界面，發(fā)動(dòng)機(jī)頭部、柱段的襯層與殼體粘接界面。

2）初始條件

考慮到重力對(duì)界面剪切應(yīng)力的影響，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)施加豎直向下的重力加速度。曲凱曾對(duì)多種海況下艦船振動(dòng)模型進(jìn)行了總結(jié)，給出了艦船振動(dòng)隨浪級(jí)變化的關(guān)系［15］。本文根據(jù)文獻(xiàn)所述方法分別計(jì)算施加不同海況下的艦船振動(dòng)載荷，進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]計(jì)算速度和計(jì)算所需樣本量，計(jì)算艦載值班時(shí)60s時(shí)間范圍內(nèi)受海況影響發(fā)動(dòng)機(jī)界面剪切應(yīng)力變化。

3 結(jié)果及分析

根據(jù)文獻(xiàn)［21］的相關(guān)研究，立貯式發(fā)動(dòng)機(jī)在艦載值班過(guò)程中，粘接界面剪切應(yīng)力值從上到下越來(lái)越大，為比較同一部位不同海況作用下的界面剪切應(yīng)力變化特性，本文選擇發(fā)動(dòng)機(jī)柱段最下方界面剪切應(yīng)力最大處位置，計(jì)算其在不同海況作用下的界面剪切應(yīng)力變化。根據(jù)上述模型及條件進(jìn)行計(jì)算，得到該位置不同海況下發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面的剪切應(yīng)力變化特性如圖3所示。

從圖3可以看出：

1）不同海況下界面剪切應(yīng)力變化周期基本維持在0.2s左右，海況的變化對(duì)界面剪切應(yīng)力變化周期影響不大。

分析其原因?yàn)楹r的增加對(duì)浪高影響較大，更多的的增加了艦船振動(dòng)的幅值，而對(duì)振動(dòng)頻率影響不大，從而使得界面剪切應(yīng)力的變化周期基本不發(fā)生變化。

圖3 不同海況下剪切應(yīng)力曲線

2）界面剪切應(yīng)力絕對(duì)值受海浪振動(dòng)載荷影響較大，海況級(jí)數(shù)越大，界面應(yīng)力越大。應(yīng)力絕對(duì)值整體分布在5 KPa-10KPa之間。

正如前文所述，隨著海況級(jí)數(shù)的增加，艦船振動(dòng)幅度增大，直接導(dǎo)致了界面剪切應(yīng)力的絕對(duì)值增加。但根據(jù)該型固體發(fā)動(dòng)機(jī)出廠指標(biāo)，藥柱粘接界面最大剪切應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)不低于0.4MPa，即使在7級(jí)海況下，界面剪切應(yīng)力絕對(duì)值僅為10KPa左右，遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)最大界面剪切應(yīng)力強(qiáng)度。

3）從界面剪切應(yīng)力變化幅值來(lái)看，海況級(jí)數(shù)越大，界面剪切應(yīng)力變化幅值越大，在7級(jí)海況下，界面剪切應(yīng)力變化幅值約為3KPa左右。

如果剪切應(yīng)力恒定，即使惡劣海況條件下應(yīng)力最大值也僅為最大剪切應(yīng)力強(qiáng)度的2.5%，不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)界面損傷造成太大影響。然而，界面剪切應(yīng)力的交變特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的影響卻不可忽略。以2級(jí)海況為例，界面剪切應(yīng)力絕對(duì)值約為6KPa，但其應(yīng)力交變幅值為2KPa，達(dá)到了應(yīng)力絕對(duì)值的30%，長(zhǎng)期連續(xù)值班過(guò)程中，海況不斷變化，交變特性更為明顯，其對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)粘接界面的損傷影響必須予以重視。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文研究，可以得到以下結(jié)論：

1）不同海況作用下界面剪切應(yīng)力變化周期變化不大，基本穩(wěn)定在0.2s左右。

2）海況級(jí)數(shù)越大，界面剪切應(yīng)力絕對(duì)值越大。受不同海況影響，界面剪切應(yīng)力絕對(duì)值變化范圍基本在5KPa-10KPa之間，遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)最大界面剪切應(yīng)力強(qiáng)度。

3）海況級(jí)數(shù)越大，界面剪切應(yīng)力變化幅值越大，2級(jí)海況下應(yīng)力變化幅值約為應(yīng)力絕對(duì)值的30%，其交變特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響必須予以重視。

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Research on the Bond Stress of Solid Rocket Motor in Warship

LIU Jinghu1YU Chang2DONG Kehai3TANG Yanhui3
（1.No.91576 Troops of PLA，Ningbo 315016）
（2.Graduate Management Team，Naval Aeronautical Engineering Institute，Yantai 264001）
（3.Department of Aircraft Engineering，Naval Aeronautical Engineering University，Yantai 264001）

To study the influence of ship vibration on solid rocket motor in continuous navigation，to analyze the characteristics of interface shear stress change under different ship vibration loads for a solid rocket motor，to analyze the influence of The vibration on solid rocket motor interface shear stress.The results show that the shear stress variation cycle of the solid rocket motor is less affected by the change of the sea condition，and it is basically maintained at about 0.2s.The absolute value of interfacial shear stress in different sea conditions is about 5KPa-10KPa，which is much lower than the interfacial shear stress intensity.In the atrocious sea condition，the amplitude of interfacial shear stress is increasing，and the impact of its alternating characteristics cannot be ignored.The study can provide technical support for the life evaluation and life extension of the solid rocket motor.

embedded sensor，adhesive specimen，bonding interface strength

V435

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.035

Class Number V435

2017年5月23日，

2017年6月19日

劉敬虎，男，高級(jí)工程師，研究方向：航空彈藥管理。