[發明專利]一種外部加載沖擊壓力載荷的固體發動機沖擊起爆仿真評估方法

有效

• 申請號: 202011128898.2
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112380739B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 李超;顏文選;蘭寶剛;潘武賢;趙繼偉;楊建宏;郭小帆;張穎
• 申請（專利權）人: 西安航天動力測控技術研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 西安匠星互智知識產權代理有限公司 61291
• 代理人: 陳星

本發明提出一種外部加載沖擊壓力載荷的固體發動機沖擊起爆仿真評估方法，通過將破片和沖擊波沖擊發動機表面后產生的沖擊應力，進行等效化數值處理，然后利用等值的邊界壓力載荷直接進行沖擊替換建模。本發明利用沖擊壓力載荷法進行沖擊仿真明顯的減小仿真模型尺寸，從而降低仿真硬件需求并縮短仿真計算所需時間；而且本發明沖擊壓力載荷建模方法能夠直接替換傳統建模方法，模型有良好的通用性；此外本發明邊界沖擊載荷法能夠通過調節載荷壓力直接獲得發動機產生起爆的臨界壓力和沖量，而且可以通過控制變量法，分析載荷壓力和作用時間對沖擊起爆的影響，在發動機的起爆分析方面效果優于現有仿真方法。

技術領域

本發明涉及一種基于在固體發動機外部加載沖擊壓力載荷的沖擊起爆安全性仿真研究評估方法。屬于固體火箭發動機安全性評估技術領域。

背景技術

固體火箭發動機作為相關武器的動力系統，是主要含能部件。發動機整機在服役過程中可能會由于受到攻擊或者周圍其他武器發生爆炸而受到劇烈的破片或者沖擊波沖擊。此時，發動機內部的推進劑受到沖擊壓縮效應會出現斷裂損傷并形成熱點，當熱點形成后，推進劑發生化學反應，反應增強后推進劑將會出現燃燒，甚至爆炸。發動機沖擊安全性研究的主要目的是為了獲取不同類型武器臨界起爆的壓力、沖量等參數，然后通過合理化的防護及貯藏結構設計，避免沖擊起爆的發生。

發動機受沖擊起爆研究主要分為仿真計算和試驗兩類。其中，沖擊起爆的仿真研究由于成本低廉而且在一定程度上能夠對試驗進行數值驗證，所以現階段很多研究都是基于仿真進行的。目前仿真所使用的模型，通常采用完整的建模方式，包含受沖擊發動機、沖擊源(破片或者主爆彈)等，部分模型還需對沖擊的傳播介質(如空氣)進行建模，當模型及材料強度等參數符合實際工況時，仿真能夠對該工況的沖擊起爆情況做出理論上的判斷，并以此來指導試驗的設計等。

仿真目前采用的仿真評估，通常采用完整建模法。該方法從理論研究和仿真計算角度分析主要存在兩個問題：1)完整建模法在非研究區域進行了建模。比如，在研究發動機受沖擊起爆時，研究者并不關心外部沖擊源的傳播和發展過程，其關注點主要在于沖擊接觸發動機瞬間所形成的載荷，及該載荷是否會起爆發動機。此時，建立外部的介質域，會明顯的浪費計算資源，使得整個計算周期被延長；2)無法定量的給出各類沖擊起爆的性能參數。比如，預制破片沖擊發動機起爆時，采用完整建模法僅能控制破片速度、破片尺寸等參數，而當研究需要從理論上進行起爆量綱分析時，這種方法并不能夠直接獲得發動機受到的沖擊壓力曲線和沖量曲線，因此該方法在分析發動機起爆參數時存在困難。

發明內容

基于上述兩個問題可以發現，目前的沖擊起爆仿真建模方法降低了仿真計算的效率，且傳統模型無法直接獲得載荷對應的壓力和沖量，難以定量的進行起爆分析。為此，發動機的沖擊起爆研究需要建立一種可以替換現有仿真計算的模型和評估方法，通過一定的數值計算和合理的沖擊模型簡化，使固體火箭發動機的沖擊安全性仿真研究能夠更加高效和量化的描述發動機的受沖擊安全特性，從而使固體火箭發動機的沖擊起爆研究更加深入。

本發明的技術方案為：

所述一種外部加載沖擊壓力載荷的固體發動機沖擊起爆仿真評估方法，包括以下步驟：

步驟1：根據固體發動機沖擊起爆試驗類型確定仿真建模的沖擊類型，包括氣體沖擊波沖擊、單破片沖擊、多破片沖擊或沖擊波破片復合沖擊；

步驟2：建立固體發動機有限元模型；

步驟3：將沖擊起爆固體發動機的沖擊源轉化為固體發動機模型邊界的壓力載荷，其中沖擊源包括破片、沖擊波；

具體通過以下過程計算沖擊源沖擊到固體發動機表面產生的壓力載荷；

對于破片效應，破片作用于發動機的壓力載荷通過下式計算：