关键词:
双脉冲发动机
2A12铝合金
Johnson-Cook模型
冷气冲击
数值仿真
摘要:
双脉冲固体火箭发动机改进了固体火箭发动机的能量可控性,提高了弹道射程、突防速度及弹体机动性。本文针对金属隔舱式双脉冲固体火箭发动机,对隔舱结构材料力学性能进行研究,建立了应变率及温度相关的本构模型与损伤准则,之后改进了冷气冲击实验系统,对设计的金属膜片进行了冷气冲击破开实验,通过ABAQUS软件对双脉冲发动机隔离装置I脉冲承压及II脉冲点火破开过程进行有限元数值仿真,分析了金属膜片刻痕结构尺寸对隔舱装置工作性能的影响,进而对其结构进行优化设计。本文主要内容如下:
(1)2A12铝合金单轴拉伸及纯剪切力学性能试验研究
根据国家标准设计了2A12铝合金单轴拉伸及纯剪切试验的试件、夹具及试验方法,分别进行了10s~10s应变率以及300~400K温度下的准静态拉伸试验以及在参考应变率10s和参考温度300K工况下的纯剪切试验。通过对试验数据的处理,得到材料不同工况下的真实应力-真实应变曲线,分析发现2A12铝合金无明显的率相关效应但具有明显的温度相关效应,且在不同温度下2A12铝合金呈现出“V”型应变率效应,最后通过金属位错现象及强化、软化因子的概念对该效应做出解释。
(2)Johnson-Cook本构模型及损伤准则研究
基于处理后的2A12铝合金单轴拉伸及纯剪切的试验数据,建立了经典Johnson-Cook本构模型及损伤准则,并对经典Johnson-Cook本构模型进行了误差分析,提出了一种应变、应变率、温度相互耦合的修正Johnson-Cook本构模型,通过数学统计参数验证了修正Johnson-Cook本构模型具有更高的精确性,并对450K温度下的材料力学性能进行预测,与试验结果对比后发现预测结果较为准确。最后编写了ABAQUS VUMAT用户材料子程序对修正Johnson-Cook本构模型进行了有限元数值仿真验证,仿真结果表明修正Johnson-Cook本构模型能够较好的描述2A12铝合金在不同应变率及温度下的力学性能。
(3)双脉冲固体火箭发动机隔离装置冷气冲击实验研究
基于隔舱式双脉冲固体火箭发动机II脉冲点火冲击作用下金属膜片破开的特点,对冷气冲击实验系统进行改进,模拟发动机II脉冲燃烧室点火时快速升压的过程,并对金属膜片破开过程进行观察,测定其破裂时间及承压变形过程中不同时刻中心结点位移,与ABAQUS有限元数值仿真结果进行对比,从而验证通过有限元数值仿真方法模拟双脉冲发动机隔舱装置工作特性的可靠性,同时为金属膜片式隔舱装置打开特性研究提供了实验及验证的平台。
(4)隔舱式双脉冲固体火箭发动机隔离装置工作特性研究
基于双脉冲固体火箭发动机的工作要求,设计了一种金属膜片式隔舱装置,引入前文中确定的材料力学参数及模型,通过ABAQUS软件对双脉冲固体火箭发动机隔舱装置I脉冲承压、传热过程及II脉冲点火膜片破开过程进行有限元数值仿真研究,并对隔舱装置各部件以及发动机II脉冲燃烧室药柱、包覆层、发动机壳体进行了力学性能分析,结果验证了所设计的隔舱装置的合理性与可靠性。
(5)隔舱金属膜片结构优化设计
通过修改隔舱金属膜片上刻痕深度及宽度等结构尺寸,对比数值仿真结果中金属膜片I脉冲承压作用下中心结点位移及II脉冲破开压强等力学性能,总结出隔舱装置力学性能随金属膜片刻痕结构尺寸变化的规律,最后通过对发动机隔舱装置工作性能提出限定要求,对金属膜片刻痕结构尺寸进行优化设计。