2.2 药型对固体火箭发动机结构完整性的影响

　　目前的药型趋于复杂多样，易发生应力集中， 对其进行应力应变分析也将更加困难。借助大型 有限元软件，很多学者针对不同的药型展开分析， 得到了不同药型的不同几何参数对应力集中程度 的影响，为药型设计提供了参考。刘华等[10]通过 建立不同装药模数和长径比的三维粘弹性模型， 分析指出装药的等效Mises应力随装药模量增大而 增加，随长径比增大而减小，当长径比大于3时基 本无影响；刘明谦等[11]利用NASTRAN软件对星 槽结构药柱进行了三维线粘弹性分析，通过改变 药柱的几何尺寸并进行结构分析，探讨了几何尺 寸对结构完整性的影响，并指出增加发动机药柱内孔直径和沟槽顶弧采用三心圆结构设计均能有 效降低药柱的应力集中水平；雷勇军等[12]进行了 星型药柱的结构优化分析，得出了增大星型药柱 顶槽倒角可有效减小应力集中程度的结论。

　　目前结构完整性分析已经从单纯的药柱设计 成型后的分析，发展到了主动参与到药型的优化 设计过程，但目前的药型优化过程只能考虑部分 参数，不能兼顾所有药型参数进行优化分析，同时 药柱几何尺寸存在不确定性，因此开展不确定结 构的优化设计也是一个发展方向。

　　2.3 环境载荷对固体火箭发动机结构完整性的影响

　　（1）温度载荷

　　固体推进剂在生产、贮存和运输过程以及使 用环境中均会经历复杂苛刻的温度变化历程，产 生复杂的温度应力。目前的研究主要是基于均匀 温度场假设，对于推进剂也一般假设其各向同性， 而实际发动机内部的温度场是一个非均匀非恒定 的梯度场。同时固体推进剂的宏观力学性能有强 烈的温度依赖性，药柱中的温度分布不均匀性使 得材料参数也具有空间分布特性。只有建立更加 真实的材料本构模型和载荷环境，才能提高分析 的可信度。

　　（2）点火增压过程

　　点火过程中固体推进剂药柱结构完整性是发 动机设计必须考虑的问题。在分析点火过程药柱 的应力应变时，通常将点火压力载荷简化为点火 压力峰或指数等点火压力曲线来进行分析。推进 剂材料的力学性质对应变速率十分敏感，点火升 压过程的应变速率较大，因此需要开展有关应变 速率的破坏准则的研究，建立适用于高应变速率 下的推进剂破坏准则，将是进行点火过程结构完 整性分析的必要条件。

　　2.4 有限元网格划分对固体火箭发动机结构完整

　　性分析的影响

　　目前广泛应用于药柱粘弹性或粘塑性数值分 析的是有限元法，其基本思路是把复杂的形体离 散为有限个简单形状的单元，通过单元节点对单 元内部的插值来实现总体结构的分析。这一离散 化的过程即为有限元网格划分，用划分了网格的 有限元模型替代原有的实体模型，使得所有的计 算分析都能在有限元模型上进行，因此有限元网 格划分是固体火箭发动机结构完整性数值分析中 的重要环节，它决定了分析过程的规模和速度、分 析结果的精度，甚至能影响计算的成败。

　　随着药型结构趋于多样复杂，现有的多数有限元分析软件自身的智能自动网格划分技术已不 能满足计算精度和计算速度的要求，还会因为对 不必要的部分进行网格加密而造成计算资源的浪 费。彭瑾等[13]针对某星型药柱，采用不同的网格 划分方法，通过对比各自的计算时间和计算精度， 指出混合分网的划分方法能在提高精度的同时减 少计算时间。

　　尽管混合分网的划分方法更能满足固体发动 机复杂药柱结构完整性分析，但在固体发动机药 柱优化设计中，常需对几何参数相近的多个模型 进行有限元结构分析，若对每个模型都采用混合 分网来划分网格，将会大大增加工作量。因此，为 了工程应用和分析研究的需要，亟待开发出专用 于固体发动机药柱的结构分析平台，此软件能够 在忠于实际模型的前提下，采用混合分网等方法， 实现对药柱的智能自动网格划分，生成以六面体 网格为主的、可以在应力集中部位进行网格加密 的有限元网格，以提高计算精度和速度。

　　3 结 束 语

　　固体火箭发动机药柱结构完整性分析，需要 综合考虑材料的粘弹性、非线性，药柱形状的复杂 多样性，载荷环境的复杂性、随机性，贮存老化后 物理化学性能的变化，药柱存在缺陷等因素，采用 实验研究、数值仿真等手段，涉及到很多领域的研 究工作，还有很多地方需要进一步研究。

　　参考文献：

　　[1]Anon.SolidPropellantGrainStructuralIntegrityAnalysis [R].NASASpaceVehicleDesignCriteriaMonograph， NASASP-8073，1973.

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　　[3]WilliamsML，BlatzPJ，SehaperyRA.Fundamental StudiesRelatingtoSystemsAnalysisofSolidPropellant [R].AD-256905，1961.

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　　[5]蒙上阳，唐国金，雷勇军.材料性能对固体发动机结 构完整性的影响[J].国防科技大学学报，2002，24 （5）.

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　　[7]刘甫，唐国金，周建平.药柱结构完整性分析模型参数 的确定[J].上海航天，2002（1）.

　　[8]张海联，周建平.固体推进剂药柱泊松比随机粘弹性 有限元分析[J].推进技术，2001，22（3）.

　　[9]张海联，周建平.固体推进剂药柱松弛模量随机粘弹性 有限元分析[J].推进技术，2001，22（4）.

　　[10]刘华，李旭昌.轴向过载下固体推进剂装药内外径比 和长径比对结构完整性影响的规律研究[J].弹箭与 制导学报，2010，30（2）：171-172.

　　[11]刘明谦，雷勇军，唐国金，等.不同几何构型对固体发 动机结构完整性的影响[J].试验技术与试验机， 2007（2）：1-3.

　　[12]雷勇军，袁端才，何煌.固体发动机星形药柱的形状 优化分析[J].国防科技大学学报，2008，30（4）：6- 10.

　　[13]彭瑾，戢治洪，徐兴柱，等.固体火箭发动机药柱的有 限元网格划分研究[J].海军航空工程学院学报， 2009，24（3）：248-250.

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