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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