一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法技术

本发明专利技术公开了一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法，通过简化火箭橇系统滑靴上面的橇体部分来建立等效的平面应变分析模型；然后采用Stefani‑Parker半经验公式确定来分析模型所用滑靴、滑轨材料的配副标准；并根据发生凿削时材料的行为来选用合适的本构模型和状态方程；最后结合实际工况设计相应的模型来研究凿削效应产生的临界条件以及不同因素对临界条件的影响规律；并基于物质点法理论结合NairnMPM软件完成上述模型的建立、计算并分析结果。

【技术实现步骤摘要】
一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法
本专利技术属于火箭橇滑靴与轨道凿削效应研究
，具体涉及一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法。
技术介绍
火箭橇试验可以用来解决航天航空、武器系统等领域试验中由于较高的速度、加速度及减速度带来的一系列技术问题。由于凿削过程通常会涉及到材料的大变形、塑性流动、产生高温高压核心以及本构关系为强非线性等现象。所以靴轨材料通常会有应力激波的产生与传播、固液气态的相变、以及由于射流引起材料混合而形成的空穴。这些复杂的材料行为客观上无疑增加了这一问题的研究难度。因此，如何成功的模拟这一现象以及研究其产生的临界条件是我国所面临的重要课题之一。目前，国内虽有通过有限元方法模拟凿削的产生先例，但是由于上述客观条件的限制。无论是基于拉格朗日法还是欧拉法描述，都无法再现凿削中产生的压力核以及材料的混合现象，这就给界定凿削是否产生带来了困难。而国外常采用的CTH程序由于仍是采用欧拉描述，因此也具有欧拉描述方法的局限性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法，通过建立合理的二维简化模型、选取满足试验要求的材料、选用合适的本构模型和状态方程对材料的行为进行描述，然后根据实际工况设计相应的模型来研究发生凿削的临界条件以及不同因素对临界条件的影响规律。本专利技术采用以下技术方案：一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法，包括以下步骤：S1、根据实际火箭橇试验系统建立等效的二维平面应变分析模型；S2、采用Stefani-Parker半经验公式确定分析模型所用滑靴、滑轨材料的配副标准；S3、依据发生凿削时材料的力学行为，选取本构模型和状态方程，并确定本构模型和状态方程的参数；S4、根据步骤S3确定的本构模型和状态方程，分析火箭橇凿削效应产生的临界条件以及不同因素对临界条件的影响规律；S5、基于物质点法理论建立模拟火箭橇靴轨滑动冲击的控制方程，通过NairnMPM软件完成模型建立、材料定义、分析计算并分析结果。具体的，步骤S1中，将火箭橇系统中滑靴上面的橇体部分等效为质心位于几何中心的均匀块体，将附加质量块体作为附加质量分配到每一个滑靴，得到单个滑靴—附加质量的模型，取单位宽度模型得到火箭橇系统的平面应变分析模型。具体的，步骤S2中，通过实验得到材料声速C，材料常数s以及滑靴材料的维氏硬度值Hmax，然后根据产生凿削效应时高压核心区的压力和滑靴材料的维氏硬度值Hmax的拟合关系得出高压核心区的压力值P；再将得到的材料声速C，材料常数s和压力值P带入Stefani-Parker半经验公式计算出选用的配副材料发生凿削时的临界航向速度，确定是否满足试验要求的航向速度。进一步的，高压核心区的压力值P和滑靴材料的维氏硬度值Hmax的拟合关系为：P(Hmax)＝0.073*Hmax+9.343具体的，步骤S3中，选用J-C本构模型和Mie-Gruneisen状态方程描述材料的本构关系以及状态，通过准静态压缩实验、霍普金森杆撞击实验以及飞板冲击试验得到靴轨材料的J-C本构模型参数和Mie-Gruneisen状态方程参数。进一步的，J-C本构模型为：其中，σy为动态屈服强度，εp为等效塑性应变，为参考应变率，为当前应变率，Tr为参考温度，Tm为参考熔点温度，T为当前温度。进一步的，冲击波速和材料的粒子速度之间的关系为：D＝C0+su其中，C0为材料声速，s为材料常数，D为冲击波速，u为粒子速度。进一步的，Mie-Gruneisen状态方程参数为：其中，γ0为压力为零时的Mie-Gruneisen方程常数。具体的，步骤S4中，设计相应的模型研究不同航速情况下产生凿削的临界竖向速度以及轨道不平顺情况产生凿削的临界航向速度；研究滑靴磨损和滑靴底部的摩擦热对临界竖向冲击速度的影响规律。具体的，步骤S5中，物质点法理论将物体离散为一系列连续的携带对应连续体所有物质信息的拉格朗日质点；质点在进行迁移前，将信息映射到画好的欧拉背景网格中，然后当质点迁移到下一位置时，再将背景网格当中的信息映射回质点，实现信息更新及跟踪材料界面；NairnMPM软件建立步骤S4所设计模型，添加材料属性以及定义边界条件，最后基于物质点法理论采用更新拉格朗日弱形式计算模拟靴轨的滑动冲击，观察各个工况的凿削效应并分析结果。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术是一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法，它是基于物质点法理论和利用NairnMPM软件建立等效模型来研究不同工况下火箭橇凿削效应产生的临界条件及不同因素对其的影响规律。不仅能够克服以往的方法不能精确再现凿削效应的缺陷，而且能够预测发生凿削时的临界速度及其变化趋势，为实际试验提供指导，从而避免试验当中产生凿削。不仅可以提高试验的成功率，而且可以降低研究的成本，因此也具有一定的经济意义。进一步的，假设火箭橇橇体部分的重心位于几何中心，这样可以实现橇体形状的规则化等效，继而可以将其简化为平面应变模型；进一步的，等效平面应变模型的建立不仅能够解决实际试验系统难于建模的问题，并且在很好地的模拟出凿削效应的同时还能够降低运算难度，提高分析问题的效率；进一步的，基于Stefani-Parker半经验公式可预先进行材料的刷选以提高试验的成功率；进一步的，利用压力值P和滑靴材料的维氏硬度值Hmax的拟合关系，就可以在滑靴材料的维氏硬度值Hmax已知的情况下算出该材料发生凿削时高压核心区的压力值，不仅节约了试验成本而且为Stefani-Parker半经验公式提供了参数依据；进一步的，结合材料发生凿削时的力学行为选用本构关系和状态方程，能够更加精确的模拟靴轨的滑动冲击过程以及产生的凿削效应；进一步的，选用J-C本构模型描述不仅能够准确的描述材料发生凿削时大变形、高应变率和高温高压等力学行为，而且形式简单易于确定参数；进一步的，用Mie-Gruneisen状态方程来描述产生凿削时材料在高压状态下固体冲击波的存在；进一步的，通过设计相应的模型来研究不同工况下产生凿削的临界条件及其影响因素来为实际试验提供理论指导，以期能够提高试验的安全性；进一步的，基于物质点法理论，可以有效的克服传统有限元法难以解决材料大变形和材料相变混合共存的困难。NairnMPM软件用编码就可完成建模，添加材料以及计算，不仅操作简便而且有着良好的计算准确性和效率。综上所述，本专利技术不仅能够准确的模拟凿削现象，而且能够为实际试验的安全性提供指导。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术总体流程图；图2为试验系统图，其中，(a)为实际火箭橇试验系统三维模型示意图，(b)为简化后试验系统的三维模型示意图，(c)为等效的平面应变模型示意图；图3为研究临界速度模型示意图，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据实际火箭橇试验系统建立等效的平面应变分析模型；/nS2、采用Stefani-Parker半经验公式确定分析模型所用的滑靴、滑轨材料的配副标准；/nS3、依据材料产生凿削现象时的力学行为，选取本构模型和状态方程，并确定本构模型和状态方程的参数；/nS4、根据步骤S3确定的本构模型和状态方程，分析火箭橇靴轨凿削效应产生的临界条件以及不同因素对临界条件的影响规律；/nS5、基于物质点法理论建立火箭橇靴轨滑动冲击的控制方程，通过NairnMPM软件完成建模、材料定义、分析计算并分析结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种火箭橇靴轨凿削效应的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据实际火箭橇试验系统建立等效的平面应变分析模型；
S2、采用Stefani-Parker半经验公式确定分析模型所用的滑靴、滑轨材料的配副标准；
S3、依据材料产生凿削现象时的力学行为，选取本构模型和状态方程，并确定本构模型和状态方程的参数；
S4、根据步骤S3确定的本构模型和状态方程，分析火箭橇靴轨凿削效应产生的临界条件以及不同因素对临界条件的影响规律；
S5、基于物质点法理论建立火箭橇靴轨滑动冲击的控制方程，通过NairnMPM软件完成建模、材料定义、分析计算并分析结果。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，将火箭橇系统中滑靴上面的橇体部分等效为质心位于几何中心的均匀块体，将此块体作为附加质量分配到每一个滑靴，得到单个滑靴—附加质量的模型，再取单位宽度模型就得到火箭橇系统的平面应变分析模型。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，通过实验得到材料声速C，材料常数s以及滑靴材料的维氏硬度值Hmax，然后根据凿削处高压核心区的压力和滑靴材料的维氏硬度值Hmax的拟合关系得出高压核心区的压力值P；再将得到的材料声速C，材料常数s和压力值P带入Stefani-Parker半经验公式计算出该配副材料发生凿削时的临界航向速度，确定其是否满足试验要求。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，高压核心区的压力值P和滑靴材料的维氏硬度值Hmax的拟合关系为：
P(Hmax)＝0.073*Hmax+9.343。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：田晓耕，汪振兴，干聪，李志峰，刘振，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61