艦載環境下固體發動機界面應力變化特性研究?

劉敬虎 于 暢 董可海 唐巖輝

（1.91576部隊 寧波 315016）（2.海軍航空工程學院研究生管理大隊 煙臺 264001）（3.海軍航空工程學院飛行器工程系 煙臺 264001）

艦載環境下固體發動機界面應力變化特性研究?

劉敬虎1于 暢2董可海3唐巖輝3

（1.91576部隊 寧波 315016）（2.海軍航空工程學院研究生管理大隊 煙臺 264001）（3.海軍航空工程學院飛行器工程系 煙臺 264001）

為研究連續航行狀態下艦船振動對固體發動機的影響，針對某型固體火箭發動機，分析了其在不同艦船振動載荷作用下的界面剪切應力變化特性，分析了不同海況下艦船振動對固體火箭發動機界面剪切應力的影響。研究結果表明，固體發動機界面剪切應力變化周期受海況變化影響較小，基本維持在0.2s左右不變；不同海況作用下界面剪切應力絕對值大約在5KPa-10KPa范圍內變化，遠低于界面剪切應力強度值；隨著海況增加，界面剪切應力變化幅值越來越大，其交變特性帶來的影響不可忽略。研究可為該型固體火箭發動機壽命評估和延壽工作提供技術支持。

內埋式傳感器；粘接試件；界面粘接強度

1 引言

固體火箭發動機作為當今戰術導彈武器的主要動力裝置之一，具有重要的軍事地位，其性能好壞直接影響到武器系統的作戰使用效能［1～6］。國內外學者針對固體發動機壽命領域的工作，主要集中在貯存過程的推進劑老化特性研究［7～10］。然而，隨著近年來新型艦載導彈越來越多的采用垂直發射系統，且艦載連續值班周期越來越長，艦載值班過程中，固體發動機垂向放置，艦艇振動必然引起裝藥粘接界面的剪切應力變化［11～15］，長期的界面剪切應力變化會造成發動機界面損傷甚至脫粘，直接影響發動機的使用壽命［16～20］。因此，有必要對艦載值班過程中界面剪切應力的變化特性其進行研究。本文針對典型海況下振動載荷對界面剪切應力的影響進行計算，研究不同艦載環境下固體火箭發動機界面剪切應力變化特性，為該型固體火箭發動機壽命評估和延壽工作提供技術支持。

2 數值計算

2.1 物理模型和材料性能參數

本文研究的對象是某反艦導彈固體助推器，其裝藥為五角星型內孔裝藥，裝藥燃燒室主要由殼體、襯層、絕熱層、藥柱組成，其中還包括尾部人工脫粘層、頭部開縫包覆套筒。由于只對發動機燃燒室側壁處的界面剪切損傷進行研究，對發動機模型進行適當簡化，絕熱層的作用是防止發動機工作時尾部殼體被燒穿，分析時暫不考慮。進行有限元計算時，主要分析對象為殼體、襯層、藥柱、包覆套筒，由于發動機的結構對稱性，取發動機1∕10模型作為研究對象，如圖1所示。

研究用發動機各材料性能參數如表1所示。

圖1 發動機模型

表1 材料特性參數

2.2 網格劃分

對選取的1∕10發動機模型按殼體、襯層、包覆套筒、藥柱分別進行網格劃分，殼體、襯層、包覆套筒為彈性材料，采用C3D8T單元進行有限元離散，藥柱為粘彈性材料，采用C3D4T單元進行有限元離散。藥柱采用自由網格劃分，殼體、襯層、包覆套筒采用掃掠網格劃分。根據所選單元和網格劃分方法將藥柱劃分為62334個單元，襯層1100個單元，殼體1100個單元，包覆套筒390個單元，有限元網格圖如圖2所示。

圖2 網格劃分

2.3 邊界及初始條件

1）位移邊界條件

對發動機模型施加的位移邊界條件如下：

（1）對稱邊界條件。在1∕10模型對稱面上施加對稱邊界條件，即模型對稱面上的法向位移為零。

（2）固定邊界條件。在發動機殼體外表面施加固定邊界條件，即殼體外表面的位移為零。

（3）自由邊界條件。藥柱內表面、藥柱尾部的包覆面、脫粘面均與空氣接觸，暫不考慮發動機貯存時內壓的作用，將其視為自由邊界。

（4）綁定約束。計算時認為發動機各界面粘接完好，對各粘接界面施加綁定約束。施加綁定約束的粘接界面如下：包覆套筒與藥柱粘接界面，襯層與藥柱、包覆套筒粘接界面，發動機頭部、柱段的襯層與殼體粘接界面。

2）初始條件

考慮到重力對界面剪切應力的影響，對發動機施加豎直向下的重力加速度。曲凱曾對多種海況下艦船振動模型進行了總結，給出了艦船振動隨浪級變化的關系［15］。本文根據文獻所述方法分別計算施加不同海況下的艦船振動載荷，進行數值模擬?？紤]計算速度和計算所需樣本量，計算艦載值班時60s時間范圍內受海況影響發動機界面剪切應力變化。

3 結果及分析

根據文獻［21］的相關研究，立貯式發動機在艦載值班過程中，粘接界面剪切應力值從上到下越來越大，為比較同一部位不同海況作用下的界面剪切應力變化特性，本文選擇發動機柱段最下方界面剪切應力最大處位置，計算其在不同海況作用下的界面剪切應力變化。根據上述模型及條件進行計算，得到該位置不同海況下發動機粘接界面的剪切應力變化特性如圖3所示。

從圖3可以看出：

1）不同海況下界面剪切應力變化周期基本維持在0.2s左右，海況的變化對界面剪切應力變化周期影響不大。

分析其原因為海況的增加對浪高影響較大，更多的的增加了艦船振動的幅值，而對振動頻率影響不大，從而使得界面剪切應力的變化周期基本不發生變化。

圖3 不同海況下剪切應力曲線

2）界面剪切應力絕對值受海浪振動載荷影響較大，海況級數越大，界面應力越大。應力絕對值整體分布在5 KPa-10KPa之間。

正如前文所述，隨著海況級數的增加，艦船振動幅度增大，直接導致了界面剪切應力的絕對值增加。但根據該型固體發動機出廠指標，藥柱粘接界面最大剪切應力強度應不低于0.4MPa，即使在7級海況下，界面剪切應力絕對值僅為10KPa左右，遠低于發動機最大界面剪切應力強度。

3）從界面剪切應力變化幅值來看，海況級數越大，界面剪切應力變化幅值越大，在7級海況下，界面剪切應力變化幅值約為3KPa左右。

如果剪切應力恒定，即使惡劣海況條件下應力最大值也僅為最大剪切應力強度的2.5%，不會對發動機界面損傷造成太大影響。然而，界面剪切應力的交變特性對發動機壽命的影響卻不可忽略。以2級海況為例，界面剪切應力絕對值約為6KPa，但其應力交變幅值為2KPa，達到了應力絕對值的30%，長期連續值班過程中，海況不斷變化，交變特性更為明顯，其對固體發動機粘接界面的損傷影響必須予以重視。

4 結語

通過本文研究，可以得到以下結論：

1）不同海況作用下界面剪切應力變化周期變化不大，基本穩定在0.2s左右。

2）海況級數越大，界面剪切應力絕對值越大。受不同海況影響，界面剪切應力絕對值變化范圍基本在5KPa-10KPa之間，遠低于發動機最大界面剪切應力強度。

3）海況級數越大，界面剪切應力變化幅值越大，2級海況下應力變化幅值約為應力絕對值的30%，其交變特性對發動機的影響必須予以重視。

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Research on the Bond Stress of Solid Rocket Motor in Warship

LIU Jinghu1YU Chang2DONG Kehai3TANG Yanhui3
（1.No.91576 Troops of PLA，Ningbo 315016）
（2.Graduate Management Team，Naval Aeronautical Engineering Institute，Yantai 264001）
（3.Department of Aircraft Engineering，Naval Aeronautical Engineering University，Yantai 264001）

To study the influence of ship vibration on solid rocket motor in continuous navigation，to analyze the characteristics of interface shear stress change under different ship vibration loads for a solid rocket motor，to analyze the influence of The vibration on solid rocket motor interface shear stress.The results show that the shear stress variation cycle of the solid rocket motor is less affected by the change of the sea condition，and it is basically maintained at about 0.2s.The absolute value of interfacial shear stress in different sea conditions is about 5KPa-10KPa，which is much lower than the interfacial shear stress intensity.In the atrocious sea condition，the amplitude of interfacial shear stress is increasing，and the impact of its alternating characteristics cannot be ignored.The study can provide technical support for the life evaluation and life extension of the solid rocket motor.

embedded sensor，adhesive specimen，bonding interface strength

V435

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.035

Class Number V435

2017年5月23日，

2017年6月19日

劉敬虎，男，高級工程師，研究方向：航空彈藥管理。