潛入式可拋噴管數(shù)值仿真范文
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《彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)》2016年第一期
摘要：
對(duì)一種潛入式可拋噴管進(jìn)行強(qiáng)度分析和流場(chǎng)仿真，強(qiáng)度仿真結(jié)果揭示了燃?xì)鈮簭?qiáng)作用下可拋噴管的應(yīng)力分布，流場(chǎng)仿真結(jié)果揭示了燃?xì)饨?jīng)由可拋噴管排出時(shí)的流場(chǎng)特征，結(jié)果表明可拋噴管整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足要求。研究中模擬了環(huán)形切割器工作對(duì)沖壓噴管被剪切部位的作用和影響，對(duì)模擬仿真結(jié)果與環(huán)形切割器功能驗(yàn)證剪切試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為殼體剪切部位須設(shè)計(jì)一定厚度的臺(tái)階。數(shù)值仿真結(jié)果有助于可拋噴管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵字：
可拋噴管；環(huán)形切割器；數(shù)值仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)
本文提出一種潛入式可拋噴管方案。該方案中可拋噴管通過(guò)連接件緊固連接于沖壓噴管之上，在助推器工作時(shí)穩(wěn)定工作，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)級(jí)時(shí)依靠級(jí)間分離機(jī)構(gòu)可靠拋除。沖壓噴管為助推補(bǔ)燃室的一部分，可拋噴管拋除后，沖壓噴管滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)沖壓級(jí)的工作要求。對(duì)潛入式可拋噴管進(jìn)行了強(qiáng)度分析和流場(chǎng)仿真，強(qiáng)度分析和流場(chǎng)仿真的結(jié)果能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。模擬分析了環(huán)形切割器的工作對(duì)剪切部位的作用和影響，并對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為可拋噴管結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。
1可拋噴管強(qiáng)度仿真
1.1可拋噴管模型潛入式可拋噴管的物理模型如圖1所示。模型包含金屬殼體、絕熱層、喉襯等部件。
1.2計(jì)算網(wǎng)格噴管模型為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為40萬(wàn)，具體的網(wǎng)格劃分如圖2所示：
1.3材料屬性定義噴管模型由三種材料構(gòu)成，其屬性參數(shù)如表1所示。金屬殼體的材料為30CrMnSiA，絕熱層的材料為高硅氧/酚醛，沖壓噴管和可拋噴管喉襯的材料為石墨。
1.4載荷和邊界條件強(qiáng)度計(jì)算中，載荷為內(nèi)壓載荷，載荷的設(shè)置依據(jù)實(shí)際工況中內(nèi)壓的極值，在此基礎(chǔ)上給定足夠的安全系數(shù)f=1.5，噴管擴(kuò)張段給定相對(duì)較小的壓強(qiáng)，外部壓強(qiáng)設(shè)為零，這樣的設(shè)置可以保證計(jì)算結(jié)果的相對(duì)保守。邊界條件的設(shè)置包括兩個(gè)部分：1）過(guò)軸線(xiàn)截面的對(duì)稱(chēng)；2）模型前端面的固支載荷。
1.5計(jì)算結(jié)果分析載荷施加到模型上，模型就會(huì)產(chǎn)生變形，當(dāng)載荷超過(guò)一定的限度時(shí)，模型就會(huì)產(chǎn)生過(guò)度變形或破壞，與變形和破壞相對(duì)應(yīng)的就是材料的剛度和強(qiáng)度。為了保證機(jī)構(gòu)正常工作，要對(duì)模型的強(qiáng)度和剛度提出如下的要求：1）強(qiáng)度要求，在規(guī)定載荷的作用下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力應(yīng)當(dāng)不大于許用應(yīng)力，即結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)有足夠的抵抗破壞的能力；2）剛度要求，在載荷的作用下，結(jié)構(gòu)即使有足夠的強(qiáng)度，但是如果變形過(guò)大，仍然不能正常工作，即機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)有足夠的抵抗變形的能力。這里的強(qiáng)度仿真主要考查模型的強(qiáng)度和剛度。殼體上的最大應(yīng)力值為710.7MPa（端面固支載荷處應(yīng)力值不計(jì)在內(nèi)），安全系數(shù)f=1.5已經(jīng)體現(xiàn)在內(nèi)壓載荷上，所以殼體的設(shè)計(jì)應(yīng)力σsj=710.7MPa。對(duì)于殼體材料30CrMnSiA，其抗拉強(qiáng)度極限為1080MPa，殼體計(jì)算富裕系數(shù)n=1.52。絕熱層上的最大壓應(yīng)力值為87.9MPa。同樣的，由于安全系數(shù)f=1.5已經(jīng)體現(xiàn)在了內(nèi)壓載荷上，即有絕熱層設(shè)計(jì)應(yīng)力σsj=87.9MPa。對(duì)于絕熱層材料高硅氧/酚醛，其抗壓強(qiáng)度極限為200MPa，絕熱層計(jì)算富裕系數(shù)n=2.28。石墨喉襯上最大應(yīng)力值為48.9MPa，同樣的，安全系數(shù)f=1.5已經(jīng)體現(xiàn)在內(nèi)壓載荷上，即有喉襯設(shè)計(jì)應(yīng)力σsj=48.9MPa。對(duì)于內(nèi)襯材料石墨，石墨的強(qiáng)度極限為70MPa，石墨喉襯的計(jì)算富裕系數(shù)n=1.43。由U1（軸向）、U2（徑向）兩個(gè)方向的總體位移圖，可知在X、Y兩個(gè)方向的總體位移的最大值均不大于1mm，整個(gè)機(jī)構(gòu)上沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大的變形，機(jī)構(gòu)能夠正常工作。最為關(guān)注的密封面上，相配合的兩個(gè)面幾乎不存在相對(duì)位移，密封圈能夠起到較好的密封效果。
2可拋噴管流場(chǎng)仿真
2.1計(jì)算網(wǎng)格對(duì)噴管模型進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算時(shí)，我們主要關(guān)注燃?xì)獾牧鞯溃贿^(guò)多關(guān)心噴管殼體的外部構(gòu)型。可拋噴管與沖壓噴管之間形成了一個(gè)背腔，背腔內(nèi)部的流動(dòng)情況也是關(guān)注的一個(gè)方面。由于噴管模型的對(duì)稱(chēng)性，取截面的一半作為二維模型，這樣結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，可以在同樣的網(wǎng)格密度的情況下減少網(wǎng)格的數(shù)量，既不影響計(jì)算結(jié)果的正確性又能降低計(jì)算成本。網(wǎng)格的劃分如圖9所示，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，近壁處以及速度梯度變化大的區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。
2.2求解器和邊界條件本次計(jì)算中選擇密度基耦合求解器隱式方式，以矢量方程求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程，通過(guò)狀態(tài)方程得到壓強(qiáng)，其他標(biāo)量方程按照分離方式求解。由于網(wǎng)格為二維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)流項(xiàng)的差值方法采用一階精度既能保證計(jì)算的精度又易于收斂，梯度選項(xiàng)選擇Green-GaussCellBased，殘差收斂條件設(shè)置為10-5，湍流模型選擇Standardk-e模型。
2.3流場(chǎng)仿真及結(jié)果分析1）本次計(jì)算中，入口邊界壓強(qiáng)設(shè)置為9MPa，即有總壓P0=9MPa，噴管出口處的總壓均值約為8.05MPa，總壓恢復(fù)系數(shù)約為0.895。2）本次計(jì)算中，入口邊界溫度值設(shè)為3200K，由計(jì)算結(jié)果知，出口平均溫度約為1500K。3）由計(jì)算結(jié)果可知，噴管出口速度最大值約為2480m/s，平均速度約為2300m/s。4）由背腔內(nèi)部的速度矢量分布圖可知，所關(guān)心的背腔內(nèi)部渦流并沒(méi)有想象中的那么劇烈，背腔內(nèi)部的燃?xì)馑俣然径嫉陀?m/s。
3可拋噴管剪切試驗(yàn)?zāi)M仿真
3.1可拋噴管剪切部位模型潛入式可拋噴管通過(guò)銷(xiāo)釘與助推補(bǔ)燃室沖壓噴管連接，剪切部位模型如圖11所示，通過(guò)仿真軟件仿真計(jì)算前對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖12所示。通過(guò)調(diào)整保留部分和剪切部分的殼體厚度來(lái)改變可拋噴管剪切部位及其相鄰部位的狀態(tài)，針對(duì)不同狀態(tài)的殼體進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，為剪切部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。
3.2環(huán)形切割器剪切行為模擬模型中剪切部分厚度均為2.5mm，保留部分與剪切部分間設(shè)有臺(tái)階，臺(tái)階厚度為0mm-10mm不等，通過(guò)仿真軟件模擬環(huán)形切割器對(duì)不同狀態(tài)殼體的作用和剪切部位的影響。對(duì)比分析圖13-圖18認(rèn)為，當(dāng)殼體剪切部分厚度為2.5mm，臺(tái)階的厚度越厚，則環(huán)形切割器工作時(shí)對(duì)殼體保留部分的影響越小，保留部分殼體沿徑向的變形越小。
3.3環(huán)形切割器剪切試驗(yàn)環(huán)形切割器剪切試驗(yàn)共完成了4發(fā)，均為常溫狀態(tài)。試驗(yàn)中工裝殼體切割部分厚度為2.5mm、3mm和3.5mm，臺(tái)階厚度均為9mm。
3.4剪切試驗(yàn)?zāi)M仿真結(jié)果分析對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果和模擬仿真結(jié)果，認(rèn)為試驗(yàn)殼體臺(tái)階厚度越大，環(huán)形切割器工作對(duì)殼體造成的變形越小。由于可拋噴管保留部分殼體上模壓粘接著高硅氧/酚醛復(fù)合絕熱材料，環(huán)形切割器工作對(duì)殼體造成的變形過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合絕熱材料與保留部分殼體脫粘，影響沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。四次剪切試驗(yàn)中，殼體臺(tái)階厚度為9mm時(shí)，環(huán)形切割器工作時(shí)保留部分殼體變形量非常微小，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。參考不同厚度的殼體臺(tái)階在模擬仿真中變形量（如表3所示），分析認(rèn)為臺(tái)階厚度設(shè)計(jì)為6mm-10mm時(shí)，殼體變形量可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，這一結(jié)論為可拋噴管結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。
4結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的潛入式可拋噴管進(jìn)行仿真分析，得出如下的結(jié)論：1）強(qiáng)度仿真結(jié)果揭示了可拋噴管的應(yīng)力分布，結(jié)果表明噴管本體及其連接部位均滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，在設(shè)置足夠的安全系數(shù)的情況下，仍具有一定的計(jì)算富裕系數(shù)。2）由流場(chǎng)仿真結(jié)果可知，噴管型面結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足性能要求。潛入式噴管的背腔內(nèi)部存在渦流，渦流速度較小，對(duì)噴管性能影響不大。3）噴管剪切位置附近臺(tái)階厚度設(shè)計(jì)為6mm-10mm時(shí)，殼體變形量可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可拋噴管優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)臺(tái)階厚度須大于6mm。
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作者：商慧增 崔金平 單位：中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院