固体火箭发动机点火冲击过程流固耦合仿真研究

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在固体发动机点火瞬间,固体推进剂药柱受点火燃气压力作用产生变形,变形应力会传递给应力释放罩和壳体,从而造成药柱和其他部件的脱粘,而结构场的变形又会对燃气流场产生影响,即固体发动机点火瞬间的流固耦合现象。对于大型固体火箭发动机,在地面试验和飞行过程中,由于自身结构的固有缺陷,出现脱粘现象的概率较高,如果药柱表面存在表面裂纹,则裂纹有可能会扩展,这会导致意外事故的发生。因此从流固耦合的角度来研究点火升压阶段的发动机内部的应力应变以及流场压强流速的情况,是非常有必要的。本文以固体火箭发动机在点火升压过程中,所常见的强度问题为研究背景,以某一型号的固体火箭弹发动机为眼中对象,利用流固耦合软件MpCCI将Fluent和Abaqus连接耦合,从三维和二维结果对发动机的流固耦合情况进行了多方面的数值仿真研究。主要研究内容为:1)计算了三维两端装药固体火箭发动机点火升压瞬间燃烧室流场与结构场的变形情况,从非传热角度,描述了应力释放罩在点火升压阶段对于整体发动机结构完整性的影响。认为药柱最大变形点位于前半段星型药柱的星根处,并且星型药柱变形量大于管状药柱变形量;2)对比了位于不同位置的应力释放罩的应力应变情况,认为药柱翼槽处存在较大压力差,这会导致药柱大变形的产生,所以应该是以后的研究中的重点设计优化对象;3)建立了单孔管状药柱的二维含裂纹模型,分析了含有裂纹的发动机点火升压的具体流场参数和结构场应力应变的变化情况,得到了入口压强和裂纹长度对于裂纹场稳定性的影响。认为在流固耦合初始阶段,裂纹尖端应力场的应力强度因子没有达到临界值,不会出现扩展。
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