分析负载优化固体火箭发动机装药的治疗压力

文摘

目前,大型电机通常采用的铸造压力治疗。这种技术可以有效地减少损害的风险结构完整性的谷物case-bonded铸造固体火箭发动机。本文有限元分析是用于建立有限元模型的星形谷物。压力治疗的整个过程模拟和建模,和Python脚本重新开发。另一个星球的进化算法用于ISIGHT优化负载参数如压力值,救援曲线的衰减系数,冷却曲线的衰减系数。不同的压力值的影响以及不同冷却和压力降低利率对残余应力和应变进行了分析。优化结果表明,压力值越接近于理论的压力,更重要的压力治疗的效果。然而,应力和应变的影响减少不同方向略有不同。不同的冷却和减压过程量率有很大的影响。压力治疗效果最好,当压力衰减系数等于6850,和温度衰减系数等于8650。 The optimization analysis of pressure curing provides a reference for engineering practice.

1。介绍

随着固体推进剂的发展技术,大推力和大推进剂加载率所需的电动机(1]。压力固化的应用可以有效地降低发动机的热应力和热变形过程中推进剂谷物浇注工艺。推进剂的原则是泥浆在浇注过程中加压使电动机的情况下扩大到推进剂颗粒凝固。压力降低而降低温度。压力补偿收缩变形引起的温度降低,从而减轻电动机的限制粮食的收缩。设备相关的压力治疗如图1。

调查结果表明,相关学者在美国(2)、法国(3),和日本压力治疗进行了相关研究。新技术已知用于固体火箭发动机的一些模型在美国。时候(4)展示了20世纪压力治疗的可行性。证明压力治疗可以减少热应力和应变在养护和冷却而不影响点火。宗庆后et al。5)计算的理论压压力治疗不同类型的电动机的情况下,提出了一个简化的压力治疗模拟方法。刘等人。6]推导理论治疗压力公式综合病例和证实脱模压力治疗后就可以完成。梁等。7)成功进行治愈发动机的点火测试压力。

为了准确模拟压力治疗的全部过程,计算进行了仿真过程中在三个步骤。分析过程的第一步假设粮食是一个非常弹性的弹性体,它可以假定计算适用于短时间内,压力增加直接从0到设计压力值。第二步是维持设计压力值不变和药物颗粒完全治愈。在第三步中,压力从设计压力值减少到0,和固化温度的温度冷却到存储温度。在这个过程中,重要的是要强调,推进剂材料的特性需要更改从弹性到粘性(8]。

压力治疗仍处于技术探索的阶段,这个过程压力不能满足需求理论的压力。目前没有统一标准的增压,减压,和冷却,但最终目标是最小化推进剂中的残余应力和应变。在仿真分析的过程中,有必要优化的设计压力值,压力释放模式,和冷却模式,这将为后续发展提供有效的技术指导的技术。

摘要ISIGHT优化软件达索公司用于分析负载优化问题。ISIGHT是一个多学科平台(9]。基于这个软件,压力和温度载荷压力治疗过程中详细分析了电机的推进剂。这个软件的结合,有限元分析主要是用于结构优化(10,11]。也有病例负载优化(12- - - - - -14]。

2。有限元建模

2.1。模型和材料参数

本文主要研究情况和推进剂颗粒之间的相互作用。一个马达被选来模拟压力治疗的整个过程。汽车是一个简单的星形推进剂颗粒。粮食是圆柱形的前面,后面的粮食是星形的。这是一个单级电机与有界。

粮食的总长度是1600毫米,外部粮食的半径是100毫米,和内半径20毫米。从内到外依次是粮食,包层、绝缘和案例。考虑温度荷载对称、压力负载对称和几何对称性,1/12的原始模型。有限元模型如图2。为了保证计算的准确性,元素的个数应保证在建立三维有限元模型。有限元模型计算总共27641个元素,所有使用六面体的固体元素。

对于上面提到的固体火箭发动机,以下假设之前选择材料参数:(一)推进剂泥浆加压凝固阶段。推进剂泥浆被认为是一个近似不可压缩流体。此时,推进剂颗粒材料被认为是很小的模量和应力几乎为零(b)覆盖层很薄,材料属性类似于推进剂颗粒,可简化为相同的材料(c)收缩变形引起的固化的热固性材料大约是温度补偿所取代。根据经验,零应力温度增加了8°C (15在计算)相对于固化温度(d)汽车被认为是一个统一的,更少的刚性弹性材料。普龙尼系列的广义麦克斯韦模型用于定义推进剂的粘弹性颗粒(16]

详细的材料参数如表所示1和2。

松弛模量是表示如下:

在哪里松弛模量,拟合系数,就是平衡系数。

2.2。负载分析

2.2.1。理论压力计算

结合星管电动机模型的特点,本文简化为一个气缸压力计算理论的压力治疗。为了方便计算,只有推进剂谷物和案件被认为是在这里。原理图所示3。心轴的位置是固定的。体积变形引起的向外扩张压力载荷下的运动情况相当于造成的冷却凝固缸 。这时,所需的压力值理论压力压力治疗的粮食。

根据文献[5),显示了计算公式如下:

结合模型参数,模型的理论压力约为1.4 MPa。详细的模型参数如表所示3。

2.2.2。压力释放曲线和冷却曲线

根据文献[5),目前的压力的压力值治愈仿真分析是线性减少到0。温度的降低模式通常显示一个非线性衰减的趋势。米塞斯应力对比图的中间部分的推进剂粮食正常压力的条件下得到治疗和治愈的压力。

结构完整性评估的谷物,终点的应力、应变值通常是关心。根据数据对比图4,可以清楚地看到,最后的压力压力治疗后明显低于正常压力的治疗。证明压力治疗能有效降低气缸的残余热应力。然而,问题是,压力治疗后的最终压力远小于极值应力的计算过程。因此,只关注最终的价值结构完整性分析不够准确,因此有必要设计一个合理的救济减少流程中的应力值曲线。

有限元分析衰变振幅曲线作为一个例子,和曲线的公式定义如下:

结合在固化温度和压强的变化规律和冷却过程,只的情况 。

冷却曲线:

初始值是 。

压力释放曲线:

初始值是 ,

在哪里和确定冷却和压力释放曲线的曲率。下面是统称为冷却曲线的衰减系数和衰减系数的卸压曲线。初始值为例,冷却和卸压曲线如图5。

3所示。优化设计和结果

3.1。二次压力治疗模拟过程的发展

优化问题属于负荷的优化,主要包括养护压力值,减压的方法,和冷却方法。为了简单起见,下面是直接称为压力释放曲线和冷却曲线。目标是最小化养护和冷却后的残余热应力。具体优化过程如图6。

有限元分析有三个方法来执行命令:图形用户界面,命令行窗口,和脚本(17,18]。首先,有限元分析的整个过程应基于有限元分析平台和Python脚本语言。然后加载参数如压力值,压力释放曲线的衰减系数,和冷却曲线的衰减系数作为输入ISIGHT,和代码重写应力-应变数据从结果文件提取到ISIGHT TXT文件作为输出。输入、输出和执行应用程序的步骤通过ISIGHT Sim代码模块的集成。

然后,相应的优化分析与优化模块进行。另一个星球的优化算法(19在全球优化选择。一个进化优化算法是一种进化策略基于Rechenberg Schwefel,改变设计通过添加每个设计变量的正态分布随机值。在优化过程中自适应地变化强度变化。

3.2。敏感性分析的压力值

仿真分析的压力治疗的整个过程,温度下降的初始值和压力释放曲线保持不变,如方程所示6)和(7)。只有压力值的影响的应力/应变曲线进行了研究。

从上面的计算可以知道理论是关于1.4 MPa的压力。在这里,压力值被作为输入变量参数的范围 。米塞斯应力最大点作为参考点进行分析。优化的目标是尽量减少冷却完成后应力/应变值。

结构完整性以来粮食主要是考虑,这里的处理结果需要压力的变化。只有搜索元素在集合(“推进剂”)。程序设置如下:

“propellant_e = o.rootAssembly.instances \

[instanceL] .elementSets(“推进剂”)”

该算法1本文是选择的单元号最大米塞斯应力及其积分点选择了骑自行车。

图7显示最大米塞斯应力的变化趋势与压力值。它可以观察到最大米塞斯应力值最小的约为1.4 MPa。结果表明,压力治疗的效果是最好的在这个压力值下,符合上面的计算。

应力计算结果如图所示8显示了径向的趋势图,呼啦圈,轴向应力随压力变化值使用不同的压力值。径向应力约为1.3 MPa时,最大残余应力降低为零。周向应力约为1.5 MPa时,汽缸的最大残余应力减小到零。轴向应力约为1.6 MPa时,最大残余应力降低为零。

计算结果如图9显示了径向的趋势图,呼啦圈,径向压力随压力变化值使用不同的压力值。径向应变约为1.3 MPa时,最大残余应变降低为零。周向应变约为1.4 MPa时,最大残余应变降低为零。轴向应变约为1.2 MPa时,粮食减少的最大残余应变为零。

残余应力和应变曲线的总体变化趋势是近似线性的。当压力值接近1.4 MPa,最终的残余应力值接近于零;即绝对值最小。总体趋势相反的效果在1.4 MPa。它是相同的相关文献和理论分析的结果。

3.3。敏感性分析的压力释放曲线和冷却曲线

仿真结果表明,不同压力释放曲线和冷却曲线不影响最终的残余应力和应变的推进剂颗粒但影响应力应变的过程。

因此,有必要考虑是否冷却过程中的应力、应变的粮食将会太大,或将快速突变。因此,最大米塞斯应力的绝对值随时间的变化曲线为优化目标参数,和温度衰减系数和压力衰减系数作为设计变量。值范围是 。运行计算100次,当这两个值超过这个范围内,温度和压力值不再能减少到指定的值,不符合实际情况。

压力(温度)之间的关联得到的衰减系数和最大米塞斯应力分析。表4显示了两个变量之间的皮尔逊相关系数和设计变量,1 - 1。这里的简单相关系数衡量两个变量之间的线性关系。压力衰减系数和温度衰减系数都是马克斯·米塞斯应力呈负相关。两个指标之间的相关性和马克斯·米塞斯应力是-0.5308和-0.5204。

目标变量之间的关系最大米塞斯应力和设计变量和计算了。从图可以看出10最低压力 和米塞斯应力为0.03086 MPa。

很明显,有一个区域目标变量的值维持在0.0308 MPa。与此同时,有一个两个设计变量之间的线性关系。之间的关系和线性拟合得到的数据点在这个地区。拟合曲线如图11。

根据拟合结果,可以通过下面的线性关系表示担忧。

3.4。仿真优化结果的验证

根据上面的优化结论,设计变量的值对应于最大米塞斯应力的最小值是选择。压力衰减系数和温度衰减系数如下: 。同一时间下的力学响应的正常压力治疗和压力比较治疗前优化和优化后的中间位置下的内孔。

作为显示在图12完成后,米塞斯应力分布云图的养护和冷却三种状态显示,压力中间的圆管部分的推进剂颗粒治疗显著降低压力。

对于这个模型,推进剂粮食的最大应力位于中间的圆管截面在大气压力下治疗,和推进剂列的最大应力位于恒星黑洞的尾巴推进剂压力治疗后列。这表明压力治疗的应用能有效地降低残余应力在圆管部分和谷物的过渡段,压力的影响减少治疗的不同位置效应是不同的。优化后的残余应力水平的粮食明星管可以显著减少。这证明优化是有意义的。

图13显示了三个方向的压力的变化曲线随时间在冷却过程中推进剂的粮食。

从最终的价值,它可以发现压力治疗可以有效地减少粮食的残余应力。径向减压效果达到95.67%。环向应力的影响减少了95.66%。轴向应力降低的效果达到了87.20%。

通过比较治疗前后数据优化的压力,发现减压的优化曲线和冷却曲线没有影响最终的残余应力值,和最终的残余应力值只与温差和压差有关。然而,优化可以有效降低极端的压力值。曲线变得平滑。它减少了当地的风险造成的损害冷却过程中过多的压力。

图14显示时间变化曲线的三个方向的应变在冷却过程中推进剂的粮食。

从最终的价值,它可以发现压力治疗可以有效减少粮食的径向和箍残余压力。径向应变降低效果达到86.39%。减少箍应变达到80.99%的效果。轴向应变变化的拉伸应变率压缩应变。主要原因是电动机的情况下不包装前后面临的粮食,导致其自由收缩。数值数量级本身是成千上万的地方。与其他方向的应变相比,这种影响可以忽略。结论:压力治疗的效果仍然具有重要意义。

通过比较治疗前后数据优化的压力,减压的优化曲线和冷却曲线没有影响最终的残余应变值。观察压力优化后同样的趋势。优化后,应力极值过程可以有效地减少。曲线的变化较为平缓。

4所示。结论

治疗压力铸造过程分解为两个过程,固化和冷却,整个过程建立的仿真模型。压力值、压力释放曲线和温度下降曲线进行了优化与ISIGHT优化软件。根据研究结果,可以得出以下结论:(一)理论压力在允许范围内,压力值的增加,压力治疗更重要的影响。冷却后,残余应力和应变的推进剂颗粒沿三个坐标轴逐渐减少,接近零。时扭转理论的影响超过压力(b)相同的压力值和方向,减少应力应变的影响在不同的位置是不同的。这表明不同的晶粒结构理论压力有不同的要求(c)当施加压力治疗谷物在浇注过程中,不同的压力释放率和冷却率影响推进剂颗粒的应力和应变。的时间最大应力(应变)随时间的变化似乎是不同的。当压力释放速度与冷却速率有一定的线性关系,压力治疗的效果是最好的。本文以指数衰减为例,冷却衰减系数是8650,和卸压衰减系数是6850,有更好的效果。使用其他类型的减压和冷却方法也可以在此基础上讨论

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号。11872372、11902348和11902350)和科学项目的国防科技大学(ZK17-02-06)。

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