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《国防科学技术大学》 2005年
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固体火箭发动机机械撞击载荷作用下安全性研究

陈广南  
【摘要】: 固体火箭发动机在贮存、运输、维护及使用过程中可能遇到各种意外机械撞击激励,例如:吊装过程中跌落,运输过程中因交通事故发生翻覆碰撞,机载固体导弹挂飞时因载机发生起降事故导致高速冲撞,多级火箭发射初期因发射异常与发射架或地面建筑物发生碰撞等,固体火箭发动机将受到剧烈机械撞击载荷作用,导致其着火燃烧甚至爆炸。本文对机械撞击载荷作用下固体火箭发动机安全性进行研究,以热点机理分析为基础,以结构动力有限元方法为手段,将热点细观模型与发动机结构撞击变形分析有机结合,旨在探索机械撞击载荷作用下固体火箭发动机安全性分析研究的方法和途径。 本文根据固体推进剂细观结构特征及撞击载荷作用下的损伤破坏模式,结合相关理论分析结果,将裂纹摩擦作为推进剂热点形成的关键因素。对与裂纹摩擦热点形成相关的物理、化学过程进行分析研究,提出了裂纹摩擦热点细观模型,推导建立了热点形成和发展控制方程。模型描述了裂纹滑移扩展、热传导、含能颗粒相变、液化层粘性加热、裂纹内气相反应、气相固相质量能量交换及与裂纹扩展耦合等过程。对压力和剪力作用下丁羟推进剂(HTPB)和高能推进剂(NEPE)裂纹摩擦热点形成过程进行了数值计算。计算分析表明:推进剂内部裂纹摩擦在一定条件下能导致热点生成,闭合裂纹扩展是形成热点的前提条件。 本文根据推进剂粘弹性质和相关试验现象,提出并研究了撞击变形条件下固体推进剂基体粘性加热及氧化剂热分解问题。应用热粘弹理论、传热学、推进剂热分解动力学等,分析推导了推进剂粘性加热与应力应变的关系,建立了描述基体粘性加热、基体与含能颗粒传热、含能颗粒受热分解及与基体界面反应等过程的细观模型,推导建立了模型控制方程。结合动力有限元方法,分析研究了HTPB和NEPE推进剂试样撞击变形过程中基体粘性加热及氧化剂颗粒热分解情况。分析计算表明:撞击变形条件下粘性加热使推进剂基体温度显著上升,温度升幅与撞击速度、剪切变形、推进剂热流变特性密切相关。计算结果与相关试验现象相吻合,证实了撞击载荷作用下固体推进剂热点生成与推进剂变形及粘性加热过程密切相关。 本文研究探讨固体火箭发动机撞击载荷作用下安全性分析理论和方法。对发动机结构撞击变形分析的相关理论和方法进行分析讨论。分析研究了推进剂裂纹在大位移情况下描述、弥散裂纹及含能固体颗粒离散、弥散裂纹扩展对推进剂宏观力学性能影响、有基体粘性加热情况下裂纹摩擦热点模型等问题。采用有限单元及连续变量离散基本思想,提出了热点细观模型与发动机撞击变形宏观分析相结合方法,建立了机械撞击载荷作用下固体火箭发动机结构受力变形及热点形成分析计算模型。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:V435

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