固体火箭发动机复合材料壳体舰载安全性评估

作     者：马征峥 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗楚养;吴连锋

授予年度：2023年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：复合材料 发动机壳体 结构强度 高速冲击 损伤机制 

摘      要：海上军事力量的发展促使舰载装备由近海走向远海,面临更加严酷复杂的海洋环境,固体火箭发动机壳体作为多数导弹的主承力结构也需进行舰载化改进。碳纤维复合材料具有耐候性强和轻质高强的特点,用作固体火箭发动机壳体可以有效提升导弹的机动性、环境适应性及低易损性。然而对于小弹径大长径比的导弹来说,由于结构紧凑,复合材料与金属部件的连接若采用传统连接方式会面临体积较大或强度不足的问题。同时,为预防舰载弹药库因意外刺激下的连锁反应,复合材料壳体还需要具有高内压下的易损性能。因此需要对固体火箭发动机复合材料壳体进行舰载化设计和安全性评估,为舰载导弹武器装备的发展奠定基础。据此本文主要开展了如下工作:(1)建立了复合材料壳体整体刚强度模型,联用USDFLD子程序并采用最大应力准则判断复合材料的损伤,分析结果表明在严酷使用载荷下复合材料筒体整体强度能够有效承载,仅在外载作用部位和复合材料壳体与两端圆环套接初始部位有些许脱粘和分层损伤;复合材料壳体试验件的刚强度试验结果与仿真结果吻合良好。(2)根据导弹结构紧凑的特点,设计了一种挂钉连接端环结构,通过与复合材料筒体一体化缠绕成型,实现大开口端环与复合材料筒体的有效连接。建立了复合材料壳体与两端圆环、吊挂和翼座金属部件的连接强度模型。分析了其在各自设计载荷作用下的安全性并对薄弱点进行设计补强;联用USDFLD子程序和Hashin准则对复合材料壳体两端连接结构进行渐进损伤分析,结果表明复合材料壳体在轴向拉伸载荷作用下的极限强度为997 MPa,破坏模式为轴向纤维断裂和复合材料壳体与两端圆环脱离。(3)对复合材料壳体开展了舰载贮存易损性评估,建立了含弹药和隔热内衬的复合材料壳体高速冲击模型,通过编写VUMAT子程序并采用Hashin准则对复合材料壳体进行判损,分析了其在破片以一种速度,两种角度冲击下的力学响应、损伤机制和能量损耗。结果表明复合材料壳体在破片高速冲击下能及时释放其内部产生的压力,复合材料壳体的主要损伤机制以纤维压缩损伤以及基体的拉伸和压缩损伤为主,破片以姿态角冲击时复合材料壳体的材料损耗较大,垂直冲击时复合材料壳体产生的内压和分层损伤较大。