ANSYS双脉冲发动机隔舱系统优化设计(2)

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1.2 双脉冲发动机的研究现状

1.3 隔舱系统技术发展现状

1.4 本文的工作

隔舱系统组件是双脉冲固体火箭发动机的关键部件,其工作条件十分恶劣，本文的工作是要设计出一种满足双脉冲发动机工作要求的隔舱系统组件，并进行强度校核和优化设计。研究表明，采用可切削加工玻璃陶瓷材料设计的等厚度圆拱形隔板具有凸侧耐压高不易破碎，凹侧耐压低易破碎的特点，满足脉冲发动机隔板使用要求。陈国胜等研究了陶瓷隔舱的动态响应问题，本文研究的双脉冲发动机在动态下的应力和静态下的应力很接近, 应用静态应力进行分析是合理的。文中利用 ANSYS有限元软件建立了隔舱系统陶瓷隔板的二维轴对称模型，对陶瓷隔板在凸侧与凹侧受压下结构的应力进行分析计算，初步设计出陶瓷隔板，进而进行优化。本文利用控制单一变量法对六组不同方案进行对比讨论，控制曲率和圆心角的变化。在相同的工况下，比较各自的应力分布，选出最优的方案，确定最终的方案，然后进行强度校核。

2 隔板装置设计

2.1 隔板设计要求

隔板是双脉冲固体发动机的关键部件，其作用是分隔发动机燃烧室内的两个脉冲药柱，在第一脉冲药柱燃烧时将第二脉冲药柱与之隔绝，在第二脉冲药柱点火工作后，陶瓷隔板迅速破碎，打开燃气通道。因此，隔板需要具备如下基本功能：

1) 可承受第一脉冲燃烧室压强的持续载荷不会破碎，并有效密封第一脉冲燃气。

2) 第二脉冲点火时，在较低的压强载荷下便会迅速破碎。

3) 破碎后产生的碎片不影响发动机工作，不对发动机喷管等结构造成破坏。

4) 隔板破口形状规则，重复性好。源]自{751·~论\文}网·www.751com.cn/

本文研究的双脉冲发动机隔舱系统的主要指标为：

（1）极孔半径：105mm；

（2）第一脉冲发动机工作压强：2MPa；

第二脉冲发动机工作压强：15MPa；

（3）承压工作时间：≥25 s；

2.2 隔板材料

本文所采用的隔板材料为可切削加工的玻璃陶瓷，俗称可加工陶瓷。玻璃陶瓷的拉压模量差别很大，受压能力要远大于受拉能力，这种特性比较符合双脉冲发动机隔板的工作要求。目前，陶瓷材料由于其特殊的力学性能，已广泛应用于航空航天等领域。由于陶瓷材料内部存在大量的气孔，其作用相当于裂纹源，在拉应力作用下迅速扩展而导致脆断，因此陶瓷的实际抗拉强度比金属要低得多。陶瓷受压时，气孔等缺陷不易扩展为宏观裂纹，所以抗压强度较高,约为抗拉强度的1 0 -4 0倍[19]。此外，玻璃陶瓷耐高温，导热系数小，当第一燃烧室工作时，隔板所传导的热量很小，不会引起第二燃烧室的药柱过热燃烧，因此不需要喷涂隔热层。