温度冲击对推进剂药柱的损伤分析

谢七国 蒋辉 龙顺祺

摘要：采用有限元的分析方法，用热粘弹性模型计算了某型固体火箭发动机在温度载荷作用下的应力场，并计算了推进剂药柱的累积损伤。结果表明，在温度载荷作用下，推进剂药柱内部的应力不断变化，应力危险点为中心位置，随着内部应力的不断交替，推进剂药柱产生累积损伤。

关键词：推进剂药柱；温度载荷；应力场；损伤

1 引言

固体火箭发动机是火箭、弹药等航空航天飞行器的动力装置，作为火箭和弹药武器的重要组成部分，其安全性的分析是非常重要的。药柱在生产、贮存和使用过程中，要经历不同的温度环境，可能使其性能发生一定程度的变化，从而影响发动机的工作性能。因此，研究固体火箭发动机药柱在不同温度环境条件下的累积损伤，可为固体火箭发动机的贮存和使用寿命预估提供支持^[1]。

本文以某型固体火箭发动机为例，建立计算模型。该固体火箭发动机为自由装填式发动机，药柱为抗压强度较高的双基推进剂。由于材料的线膨胀系数不同，温度冲击时会产生热应力和热应变，有可能在药柱内形成裂纹，或使裂纹进一步扩展。本文利用有限元方法计算某型固体火箭发动机药柱在变温环境下的应力响应，分析药柱的应力应变，计算累积损伤。

2 有限元计算与分析

2.1有限元模型

固体火箭发动机主要由壳体、包覆层、药柱组成，壳体和包覆层对药柱在温度载荷条件下的应力、应变影响可以忽略，故温度载荷计算中可不考虑壳体和包覆层模型，对药柱进行三维建模，考虑结构的对称性，建立四分之一模型。药柱模型及网格划分如图1所示。

图1 推进剂药柱有限元模型

药柱材料为双基推进剂，密度1641kg/m³,弹性模量184.9MPa,热膨胀系数2.28X10^-4，泊松比0.495，导热系数0.56W/m·K，比热容1151J/（kg·K）。

2.2热粘弹性模型

推进剂是粘弹性材料，零应力温度为60°C，其常温20°C松弛模量的Prony级数表示为^[2]:

固体火箭发动机药柱的积分型粘弹本构关系为^[3]:

和 由下式定义：

推进剂时-温等效因子由W.F.L方程表示为:

3计算结果

3.1温度载荷加载

温度载荷为：温度由60°C降到-55°C，转换时间不大于5min，每个温度点保持24h，同时在温度载荷计算中考虑了药柱自身重力。

3.2计算结果及分析

图2为温度冲击结束时固体火箭发动机药柱的应力分布，从图中可看出，药柱内部的应力不断变化，应力危险点为中心位置。通过对比药柱温度从60°C降到-55°C的变形量可知，药柱结构整体变形趋势为自由端收缩，轴向总变形为19.4mm。

图2应力分布

图3为应变云图，从图中可看出，药柱应变主要发生在药柱主体机构，但整体应变较小，最大压应变为0.12%。

图3应变云图

温度冲击过程中药柱应力而产生的累积损伤如图4所示，从图中可看出，温度的冲击作用使药柱产生了冲击应力，导致药柱产生累积损伤，且损伤不断增大。经过5个循环后的温度冲击，导致的损伤为1.2%。

图4温度冲击过程中药柱应力和累积损伤关系

4总结

采用仿真方法研究了某型固体火箭发动机药柱在温度冲击作用下的应力和累积损伤，在外界温度冲击作用下，随着内部应力的不断交替，药柱产生累积损伤；温度由60°C降到-55°C后，药柱自由收缩，但整体应变较小。由此可认为，热应力长期作用，可能导致推进剂药柱的力学性能产生劣变。

参考文献：

[1] 袁端才，雷勇军，唐国金，等.长期贮存的固体发动机药柱脱粘界面裂纹分析[J].国防科技大学学报，2006（3）：19-20.

[2] 王玉峰，李高春，王晓伟.固体火箭发动机海洋环境下的贮存及寿命预估[J].火炸药学报，2008，20（3）：13-15.

[3] 牛秉彝，王元有，黄人骏.高聚物粘弹及断裂性能[M].北京：国防工业出版社，1991：178-181.

作者简介:

谢七国，高级工程师，主要从事火工品、引战系统、固体火箭发动机维护技术研究工作。

蒋辉，主要从事火工品、引战系统、固体火箭发动机维护工作。

龙顺祺，主要从事火工品、引战系统、固体火箭发动机维护工作。