SolidWorks二次開發在燃面計算中的應用(三)

2013-07-15 by:廣州SolidworksUGCatia培訓中心來源:仿真在線

4 多實體建模算例

4.1 藥柱模型

圖為某型號單室雙推力發動機的藥柱,采用自由裝填尾部點火。圓筒段的后部分無包覆層,形成一圓柱凸臺,同時為了適應外部殼體尺寸的需要在尾部有一錐形凸臺,另外在藥柱兩側去掉了部分包覆層對稱地開了兩個槽,組成一級藥柱;頭部為二級藥柱,采用另外的裝藥,6根金屬絲均布貫穿整個藥柱。發動機工作時,一級藥柱通過圓柱和錐形凸臺加開槽面以及嵌金屬絲燃燒實現大燃面,而二級藥柱的穩定燃燒為6根金屬絲所產生的錐面((4個大錐面+2個小錐面)組成,從而實現單室雙推力。根據金屬絲燃燒機理,嵌金屬絲后,沿金屬絲燃速增加K倍,K=rf/ro,式中rf為沿金屬絲的燃速,ro為藥柱的燃速。為了簡化計算,將沿金屬絲的燃燒假設為錐頂角為2e的錐體,在整個燃燒過程中,認為K是一個不隨燃燒室壓強變化的常量。且假設金屬絲一露出,在燃氣中即熔化并隨即以此為頂點形成新的錐體。

該藥柱模型較為復雜,在燃燒過程中會產生很多的燃面,如果采用之前介紹的幾種燃面計算方法有各自的復雜性。根據介紹的藥柱建模方法,采用了多實體的布爾減運算來模擬藥柱的燃燒過程。

4.2 燃面模型簡化

由“幾何燃燒定律”,各燃面的燃燒情況可以簡化為如下:

凸臺面由4部分組成,尾部端面,圓錐面,未包覆的圓柱面和在未包覆分界點形成的球弧面,整個燃面屬于減面燃燒。另外隨著肉厚e的推移,將存在圓錐凸臺消失(最后退化為圓柱)和尾部端面消失(最后退化為圓錐)兩種情況,這在程序中可以預先判斷。當燃燒肉厚e等于裝藥半徑時,未包覆的凸臺面完全消失。

開槽面燃燒按照肉厚分為兩段情況,當燃燒肉厚e如圖所示時,整個燃面將由三段圓弧面組成,中間段圓弧面是開槽處未包覆的柱面燃燒后的燃面,整個燃面為增面燃燒;當燃燒肉厚。如圖所示時,整個燃面為減面燃燒,可簡化為兩段圓弧組成。另外在槽底處將形成不斷擴大的槽底環形曲面(它是一個繞裝藥軸線旋轉的環形曲面的一部分)及部分球面。

金屬絲的燃燒按照沿金屬絲的等距擴張而形成錐坑面,為增面燃燒,大大增加了裝藥的燃面,這正是在固體推進劑內嵌入金屬絲的根本目的,從簡化角度考慮可以把K當作常量來處理。由于部分燃面跟金屬絲平行,所以當燃面等距擴張到金屬絲時,暴露在高溫燃氣中的整段金屬絲將熔化,從而在該處形成了一個類似漏斗的燃面,并隨后將以金屬絲直徑熔化形成的空腔為中心擴張燃燒,形成的燃面,為增面燃燒。

4.3計算結果

利用該燃面計算方法對上述嵌金屬絲復雜裝藥進行燃面計算,再采用瞬時平衡壓強法確定出瞬時平衡壓強pe和肉厚e的相互關系,然后通過燃速計算公式確定肉厚e和時間t的相互關系,從而建立了pe和t的變化關系,最后利用推力計算公式得到推力F隨時間t的變化關系曲線。圖10是計算得到的燃面Ab隨肉厚e的變化曲線,圖是藥柱初溫分別為50°C和-40°C時計算與試驗的推力(F)一時間(t)曲線圖。

從圖中可以看出該計算方法較好地模擬了嵌金屬絲藥柱的整個燃燒過程,采用SolidWorks二次開發計算所得的發動機性能跟實驗結果吻合得較好,具有較高的計算精度。由于程序所建立的過渡段內彈道計算模型作了一定簡化,以致忽略了燃燒室壓強對藥柱結構完整性的影響,導致過渡段的計算結果比試驗結果偏小,這些問題需在以后的研究中繼續完善。

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