第1章 绪论 1
1.1 火箭发动机的结构特点 2
1.1.1 固体火箭发动机 3
1.1.2 野战火箭发动机 5
1.1.3 复合固体推进剂 9
1.2 固体火箭发动机的结构完整性评估 11
1.3 固体火箭发动机结构完整性评估进展 12
参考文献 18
第2章 黏弹性基本理论 23
2.1 黏弹性概述 23
2.2 黏弹性力学行为 24
2.2.1 蠕变 24
2.2.2 回复 25
2.2.3 应力松弛 25
2.3 线黏弹性本构关系 25
2.3.1 黏弹性模型表述 26
2.3.2 黏弹性积分型本构关系 39
2.4 高聚物的黏弹性力学性能及时温等效原理 44
2.4.1 高聚物力学性能的温度依赖性 44
2.4.2 时间—温度等效原理及WLF方程 45
参考文献 47
第3章 固体推进剂黏弹性增量有限元方法 48
3.1 基于Burgers模型的黏弹性增量有限元方法 49
3.1.1 Burgers模型的增量型本构关系 49
3.1.2 有限元方程 54
3.2 基于Boltzmann原理的黏弹性增量有限元方法 55
3.2.1 Boltzmann叠加原理和积分型本构方程 55
3.2.2 有限元方程 57
3.3 不可压缩或近似不可压缩黏弹性增量有限元方法 60
3.3.1 不可压缩或近似不可压缩黏弹性材料的本构方程 60
3.3.2 有限元方程 63
3.4 固体推进剂力学性能测试 65
3.4.1 固体推进剂应力松弛模量的试验测量 65
3.4.2 应力松弛模量的Prony级数拟合 66
3.4.3 Burgers模型参数的获取 67
参考文献 69
第4章 野战火箭发动机结构完整性评估判据 71
4.1 固体推进剂药柱破坏分析 71
4.1.1 推进剂药柱破坏性能 71
4.1.2 固体推进剂破坏准则 73
4.2 火箭弹发动机失效模式及失效判据 74
4.2.1 无缺陷火箭弹发动机结构完整性破坏的主要模式及判据 74
4.2.2 含缺陷火箭弹发动机结构完整性破坏的主要模式及判据 76
参考文献 77
第5章 无缺陷火箭弹发动机结构完整性评估 78
5.1 火箭弹发动机三维有限元模型的建立 79
5.1.1 火箭弹发动机的几何构型 79
5.1.2 建立发动机药柱三维有限元模型的方法 79
5.1.3 计算基本假设 82
5.2 火箭弹发动机结构完整性分析的载荷及边界条件 82
5.2.1 温度载荷 82
5.2.2 点火发射时的燃气内压载荷 82
5.2.3 轴向加速度载荷 83
5.2.4 复合载荷 84
5.2.5 边界条件处理 84
5.3 复合载荷作用下火箭弹发动机结构完整性评估 84
5.3.1 高温、常温和低温点火发射时发动机位移场 85
5.3.2 高温、常温和低温点火发射时发动机应力场 90
5.3.3 高温、常温和低温点火发射时发动机应变场 92
5.4 材料特性对火箭弹发动机结构完整性的影响 95
5.4.1 温度载荷作用下材料性能参数对结构完整性的影响 95
5.4.2 内压载荷作用下材料性能参数对结构完整性的影响 98
5.5 基于结构完整性的药型改进与设计 101
5.5.1 温度载荷下人工脱黏层最佳深度的获取方法 102
5.5.2 低温环境下火箭弹发动机药柱伞盘结构设计 105
参考文献 109
第6章 含典型缺陷的火箭弹发动机结构完整性评估 110
6.1 含裂纹体的有限元方法 111
6.1.1 内嵌裂纹尖端的裂纹元 111
6.1.2 含裂纹黏弹性体的有限元方法 115
6.1.3 裂纹J积分的有限元计算方法 119
6.2 发动机药柱表面裂纹对结构完整性的影响 119
6.2.1 发动机药柱前翼槽表面裂纹 120
6.2.2 发动机药柱伞盘顶端表面裂纹 124
6.2.3 发动机药柱圆柱段中部表面裂纹 126
6.2.4 发动机药柱后翼槽表面裂纹 126
6.3 药柱界面脱黏裂纹对结构完整性的影响 128
6.3.1 发动机药柱含界面脱黏裂纹的有限元计算模型 129
6.3.2 发动机前包覆层与推进剂界面脱黏裂纹扩展趋势分析 130
6.3.3 发动机后包覆层与推进剂界面脱黏裂纹稳定性分析 134
6.4 其他典型缺陷对药柱结构完整性的影响 136
6.4.1 药柱表面划伤对结构完整性的影响 136
6.4.2 药柱含内聚空洞对结构完整性的影响 142
6.5 发动机药柱裂纹J积分计算及稳定性评估 149
6.5.1 发动机药柱前翼槽底部裂纹的稳定性评估 150
6.5.2 发动机药柱伞盘裂纹的稳定性评估 154
6.5.3 发动机药柱圆柱段中部裂纹的稳定性评估 156
6.5.4 发动机药柱前人工脱黏层裂纹的稳定性评估 159
参考文献 162
第7章 自由装填式火箭弹发动机结构完整性评估 164
7.1 计算模型 165
7.2 载荷工况 167
7.3 复合载荷作用下自由装填式火箭发动机的结构完整性评估 169
7.3.1 发动机点火发射时药柱位移场 169
7.3.2 发动机点火发射时药柱von Mises应力场 176
7.3.3 发动机点火发射时药柱von Mises应变场 179
7.3.4 点火压力对发动机结构完整性的影响 182
参考文献 190
第8章 野战火箭发动机喷管结构完整性评估 191
8.1 喷管温度和传热分析 192
8.1.1 燃气的温度和压强分布 192
8.1.2 燃气和喷管内壁的传热 192
8.1.3 计算分析单位制 193
8.2 计算模型 194
8.2.1 计算基本假设 194
8.2.2 有限元计算模型 194
8.2.3 载荷工况 196
8.2.4 材料力学性能参数 197
8.2.5 喷管热分析和结构分析评估准则 197
8.3 喷管温度场计算与分析 198
8.3.1 发动机点火工作10s时喷管的温度场 198
8.3.2 发动机点火工作20s时喷管的温度场 201
8.3.3 发动机点火工作240s时喷管的温度场 204
8.4 喷管在温度和燃气压力作用结构完整性评估 207
8.4.1 发动机点火工作10s时喷管的变形和应力 207
8.4.2 发动机点火工作20s时喷管的变形和应力 213
8.4.3 发动机点火工作240s时喷管的变形和应力 217
参考文献 221
第9章 火箭弹发动机数值仿真实现 222
9.1 MSC. Nastran在黏弹性分析中的应用 222
9.1.1 创建几何模型 223
9.1.2 划分有限元网格 224
9.1.3 赋予边界条件及载荷工况 225
9.1.4 定义材料属性 225
9.1.5 定义单元特性 226
9.1.6 定义分析类型提交MSC. Nastran求解 227
9.1.7 查看分析结果及数据采集 229
9.2 MSC. Marc在黏弹性分析中的应用 233
9.2.1 创建几何模型及有限元计算模型 233
9.2.2 赋予边界条件及载荷工况 233
9.2.3 定义材料属性 236
9.2.4 设置求解载荷工况 237
9.2.5 定义单元特性 237
9.2.6 提交MSC. Marc求解 237
9.2.7 查看分析结果及数据采集 239
9.3 MSC. Nastran与MSC. Marc结合求解裂纹J积分 240
参考文献 244