某型固体发动机壳体的热应力有限元分析
某型固体发动机壳体的热应力有限元分析
刘晓燕谭登科唐西虎
（中国船舶重工集团公司第七一Ｏ研究所．湖北宜昌，４４３００３）
摘要：固体火箭发动机结构复杂，受到内部高温高压气体的作用，本文利用Ａ鹕Ｙｓ软件对莱型发动机壳体结构进行热啦力耦合计算，得到结构内部的应力应变分布以及变形位移响应，这些都为今后的发动机的完整性设计提供借鉴和参考．
主题词：发动机壳体，有限元分析，耦合计算
ｌ引言
固体火箭发动机是水雷雷体结构的一部分．既是推进荆的贮存器，又是能量转换的场所，受内鄢高温高压气体的作用．发动机壳体是发动机工作时的主要承力结构，必须具有足够的强度和刚度，它的设计将直接影响水雷的性能．
固体火箭发动机燃烧室壳体，主要指圆筒壳体及前封头所构成的容器．箕后的喷管约束了燃烧室壳体的变形．利用ＡＮＳＹＳ来建立发动机壳体的三维实体模型，适当处理结构各部分之间的连接关系，通过热—应力耦合场的计算来得到整个壳体的应力分布，从而可以直观准确地发现结构的薄弱环节．２计算模型
壳体材料为３０ＣｒＭａＳｉ钢．发动机工作时间较短，压力载荷可近似为稳态过程，另外发动机工作时壳体也处于高温环境中。温度与制造时的温差较大，此时壳体结构各部分的热膨胀程度不同．导致热应力的产生，加之所承受的内部高压，工作环境十分恶劣，发动机结构会在这样的双重作用下而产生相应的应力应变响应．熟应力问题实际上是热一应力两个物理场之间的相互作用，属于耦台场分析问题．ＡＮＳＹＳ提供了两种分析热应力的方法：直接法和间接法．
直接法是指直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结果；间接法则是指先进行热分析，然后求得的节点温度作为体载荷旅加到结构应力分析中。本文采用的是直接分析的方法，直接耦台法的耦合单元包括与相应的耦台场有关的所有必须的自由度．由于发动机壳体的结构和所受到的载荷具有周向的轴对称性，所以可以选取结构的ｌ，４来进行建模研究，几何模型及网格划分如图１所示．
图１结构的网格划分模型
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计算分析的步骤：
１）选择与热分析有关的ＳＯＬＩＤ９８单元，该单元包含温度与位移自由度，是具有中节点的四面体单元，可以很好的模拟复杂的几何模型．三维问题的数据量是庞大的，在对模型分网时，对应力变化剧烈的位置进行了局部细化来改善网格质量，从而提高计算精度加速求解收敛。
２）由于选取丁１，４模型，所以在模型的对称面上施加对称边界条件，另外约束发动机壳体前封头小端面的位移．最后旌加压力载荷和温度场载荷，初始均匀温度场设为２０摄氏度，工作时的温度场为２００摄氏度．
３）求解过程中，需要对多个求解控制选项进行设置，其中涉及输出控制选项、时间，频率选项及非线性选项．
实际的壳体结构在几何上都是有缺陷的，所以要进行非线性分祈．打开自动时间步长和应用预测方法。
３计算结果与分析
在设计压力１３ＭＰａ－Ｆ，发动机壳体的径向位移分布云图见图２．
发动机壳体的圆筒段，由于几何尺寸比较大。是主要的承载构件，再加上本身材料具有较大的热膨胀系数，因此简体中段显示出较大的径向位移，这符合发动机的实际变形情况．
从图３可见，壳体的轴向位移在纵轴方向趋向增长．最大的轴向位移发生在喷管段。由于前封头端面位移存在约束．圆筒段的内压在轴向的分量不是太大．而喷管段内压就呈现出较大的轴向分量，而且由于简段与喷管的协调变形，所ｉ；上在喷管段的轴向位移增长较快．
由计算结果可知，发动机壳体在工作过程中，几何尺寸欲小的，导热率大的，温度较均匀，热应力较小．在不同部件的接触面上如果材料相同，应力较小，但是反之，由于材料变化则会引起较大的应力．
发动机壳体的应力应变分布云图基本是一致的．壳体的圆筒段由于几何形状比较复杂．主要起承裁作用。在几何尖点处应力比较大，显示出局部的应力集中，此处在设计时应予以重视．喷管由于简体的约束，产生较大的轴向位移，从而使得热应力得到松弛，联角处的热应力有所下降。
轴向变形ｒａａｘ
０．２６６ｍｍ径向变形ｍａｘ０．３６ｍｍ应力ｍａｘ１．３４ＧＰａ应变ｍａｘ０．００６８
图２结构径向位移云图
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圈３结构轴向位移分布云图
图４结构等效应力分布云匿
圈５结构的总应变分布云图
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４结论
通过对发动机壳体在耦合场作用下进行三维有限元分析．可以得到壳体结构的热应力和应变以及结构的变形位移分布规律．计算表明在筒体的几何尖点处应力突增，说明局部存在应力集中现象，这将是今后设计的重点．仿真计算揭示了结构的强度和刚度特征，为今后发动机设计中将要考虑的完整性分析提供了参考和借鉴，加快了分析的进程．３４３
某型固体发动机壳体的热应力有限元分析
作者：
作者单位：刘晓燕， 谭登科， 唐西虎中国船舶重工集团公司第七一○研究所,湖北宜昌,443003
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