一种外部加载冲击压力载荷的固体发动机冲击起爆仿真评估方法技术

本发明专利技术提出一种外部加载冲击压力载荷的固体发动机冲击起爆仿真评估方法，通过将破片和冲击波冲击发动机表面后产生的冲击应力，进行等效化数值处理，然后利用等值的边界压力载荷直接进行冲击替换建模。本发明专利技术利用冲击压力载荷法进行冲击仿真明显的减小仿真模型尺寸，从而降低仿真硬件需求并缩短仿真计算所需时间；而且本发明专利技术冲击压力载荷建模方法能够直接替换传统建模方法，模型有良好的通用性；此外本发明专利技术边界冲击载荷法能够通过调节载荷压力直接获得发动机产生起爆的临界压力和冲量，而且可以通过控制变量法，分析载荷压力和作用时间对冲击起爆的影响，在发动机的起爆分析方面效果优于现有仿真方法。效果优于现有仿真方法。效果优于现有仿真方法。

【技术实现步骤摘要】
一种外部加载冲击压力载荷的固体发动机冲击起爆仿真评估方法


[0001]本专利技术涉及一种基于在固体发动机外部加载冲击压力载荷的冲击起爆安全性仿真研究评估方法。属于固体火箭发动机安全性评估


技术介绍

[0002]固体火箭发动机作为相关武器的动力系统，是主要含能部件。发动机整机在服役过程中可能会由于受到攻击或者周围其他武器发生爆炸而受到剧烈的破片或者冲击波冲击。此时，发动机内部的推进剂受到冲击压缩效应会出现断裂损伤并形成热点，当热点形成后，推进剂发生化学反应，反应增强后推进剂将会出现燃烧，甚至爆炸。发动机冲击安全性研究的主要目的是为了获取不同类型武器临界起爆的压力、冲量等参数，然后通过合理化的防护及贮藏结构设计，避免冲击起爆的发生。
[0003]发动机受冲击起爆研究主要分为仿真计算和试验两类。其中，冲击起爆的仿真研究由于成本低廉而且在一定程度上能够对试验进行数值验证，所以现阶段很多研究都是基于仿真进行的。目前仿真所使用的模型，通常采用完整的建模方式，包含受冲击发动机、冲击源(破片或者主爆弹)等，部分模型还需对冲击的传播介质(如空气)进行建模，当模型及材料强度等参数符合实际工况时，仿真能够对该工况的冲击起爆情况做出理论上的判断，并以此来指导试验的设计等。
[0004]仿真目前采用的仿真评估，通常采用完整建模法。该方法从理论研究和仿真计算角度分析主要存在两个问题：1)完整建模法在非研究区域进行了建模。比如，在研究发动机受冲击起爆时，研究者并不关心外部冲击源的传播和发展过程，其关注点主要在于冲击接触发动机瞬间所形成的载荷，及该载荷是否会起爆发动机。此时，建立外部的介质域，会明显的浪费计算资源，使得整个计算周期被延长；2)无法定量的给出各类冲击起爆的性能参数。比如，预制破片冲击发动机起爆时，采用完整建模法仅能控制破片速度、破片尺寸等参数，而当研究需要从理论上进行起爆量纲分析时，这种方法并不能够直接获得发动机受到的冲击压力曲线和冲量曲线，因此该方法在分析发动机起爆参数时存在困难。

技术实现思路

[0005]基于上述两个问题可以发现，目前的冲击起爆仿真建模方法降低了仿真计算的效率，且传统模型无法直接获得载荷对应的压力和冲量，难以定量的进行起爆分析。为此，发动机的冲击起爆研究需要建立一种可以替换现有仿真计算的模型和评估方法，通过一定的数值计算和合理的冲击模型简化，使固体火箭发动机的冲击安全性仿真研究能够更加高效和量化的描述发动机的受冲击安全特性，从而使固体火箭发动机的冲击起爆研究更加深入。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]所述一种外部加载冲击压力载荷的固体发动机冲击起爆仿真评估方法，包括以下
步骤：
[0008]步骤1：根据固体发动机冲击起爆试验类型确定仿真建模的冲击类型，包括气体冲击波冲击、单破片冲击、多破片冲击或冲击波破片复合冲击；
[0009]步骤2：建立固体发动机有限元模型；
[0010]步骤3：将冲击起爆固体发动机的冲击源转化为固体发动机模型边界的压力载荷，其中冲击源包括破片、冲击波；
[0011]具体通过以下过程计算冲击源冲击到固体发动机表面产生的压力载荷；
[0012]对于破片效应，破片作用于发动机的压力载荷通过下式计算：
[0013][0014]式中，m、S为破片的质量和破片碰撞发动机壳体的有效截面积，v
p
为破片接触发动机壳体的法向速度，t为破片接触发动机壳体的侵蚀时间；
[0015]对于冲击波效应，作用于发动机表面的压力载荷利用下式计算：
[0016]P
st
＝P
s
+ρ∫v
a
dT
·
dv
a
/dT
[0017]式中，P
s
为冲击波压力，ρ为冲击波气体的密度，v
a
为冲击波相对被冲击发动机接触点的法向速度，T是冲击波接触被爆发动机壳体的作用持续时间；
[0018]根据固体发动机冲击起爆试验爆炸源起爆后得到的参数代入对应的压力载荷计算公式后得到以多项式形式表示的冲击压力载荷随时间的变化过程；
[0019]步骤4：将步骤3计算获得的冲击压力载荷多项式通过压力边界的形式加载至发动机壳体模型外部；
[0020]步骤5：完成模型，定义包括残差控制、时间步长在内的计算参数，进行数值计算，以检测监测固体发动机推进剂内的压力和应变，界定固体发动机受冲击后是否发生损伤和起爆，以此完成固体发动机受冲击后是否会发生起爆的安全性评估。
[0021]进一步的，步骤2中，固体发动机有限元模型包括壳体、绝热层、端盖和推进剂；绝热层处于壳体内壁面，推进剂内部具有轴向的圆柱空腔；固体发动机有限元模型整体使用Euler/Lagrange复合法划分，其中，全域采用多材料的Euler法建立底层网格，在发动机壳体外部和推进剂内部圆柱空腔填充空气，在推进剂区域填充推进剂，Euler区域边界采用全材料自由流出口；端盖、发动机壳体和绝热层网格使用Lagrange法划分；Lagrange/Lagrange体之间的相互作用采用侵蚀算法，保留侵蚀惯性并剔除失效单元；Lagrange/Euler体的耦合作用采用自适应调节。
[0022]进一步的，步骤2中，发动机壳体材料、端盖材料均采用Rankine Hugoniot冲击线性状态方程和Johnson Cook强度模型，忽略失效；绝热层使用的橡胶垫，也采用冲击线性状态方程，不考虑强度和失效；发动机的推进剂装药采用JWL状态方程和Lee-Tarver点火增长模型用以模拟冲击起爆。
[0023]进一步的，步骤4中加载方式包括单点加载和面加载。
[0024]有益效果
[0025]相较于现有仿真模型，发动机表面加载冲击压力载荷起爆模型的的仿真方法优点主要有以下三条：1)利用冲击压力载荷法进行冲击仿真明显的减小仿真模型尺寸(避免了破片和冲击波源的建模)，从而降低仿真硬件需求并缩短仿真计算所需时间。2)边界冲击压力载荷法建模得到的推进剂起爆过程与现有仿真建模仿真方法得到的发动机起爆趋势相
同，两种方法在原理和仿真结果上不矛盾，即冲击压力载荷建模方法能够直接替换传统建模方法，模型有良好的通用性。3)边界冲击载荷法能够通过调节载荷压力直接获得发动机产生起爆的临界压力和冲量，而且可以通过控制变量法，分析载荷压力和作用时间对冲击起爆的影响，在发动机的起爆分析方面效果优于现有仿真方法。
[0026]本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0027]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0028]图1：发动机模型示意图；
[0029]其中：1、端盖；2、推进剂；3、绝热层；4、壳体；
[0030]图2：边界压力载荷示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外部加载冲击压力载荷的固体发动机冲击起爆仿真评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据固体发动机冲击起爆试验类型确定仿真建模的冲击类型，包括气体冲击波冲击、单破片冲击、多破片冲击或冲击波破片复合冲击；步骤2：建立固体发动机有限元模型；步骤3：将冲击起爆固体发动机的冲击源转化为固体发动机模型边界的压力载荷，其中冲击源包括破片、冲击波；具体通过以下过程计算冲击源冲击到固体发动机表面产生的压力载荷；对于破片效应，破片作用于发动机的压力载荷通过下式计算：式中，m、S为破片的质量和破片碰撞发动机壳体的有效截面积，v
p
为破片接触发动机壳体的法向速度，t为破片接触发动机壳体的侵蚀时间；对于冲击波效应，作用于发动机表面的压力载荷利用下式计算：P
st
＝P
s
+ρ∫v
a
dT
·
dv
a
/dT式中，P
s
为冲击波压力，ρ为冲击波气体的密度，v
a
为冲击波相对被冲击发动机接触点的法向速度，T是冲击波接触被爆发动机壳体的作用持续时间；根据固体发动机冲击起爆试验爆炸源起爆后得到的参数代入对应的压力载荷计算公式后得到以多项式形式表示的冲击压力载荷随时间的变化过程；步骤4：将步骤3计算获得的冲击压力载荷多项式通过压力边界的形式加载至发动机壳体模型外部；步骤5：完成模型，定义包括残差控制、时间步长在内的计...

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，颜文选，兰宝刚，潘武贤，赵继伟，杨建宏，郭小帆，张颖，
申请(专利权)人：西安航天动力测控技术研究所，
类型：发明
国别省市：