SolidWorks二次开发在燃面计算中的应用(三)

2013-07-15 by:广州SolidworksUGCatia培训中心来源:仿真在线

4 多实体建模算例

4.1 药柱模型

图为某型号单室双推力发动机的药柱,采用自由装填尾部点火。圆筒段的后部分无包覆层,形成一圆柱凸台,同时为了适应外部壳体尺寸的需要在尾部有一锥形凸台,另外在药柱两侧去掉了部分包覆层对称地开了两个槽,组成一级药柱;头部为二级药柱,采用另外的装药,6根金属丝均布贯穿整个药柱。发动机工作时,一级药柱通过圆柱和锥形凸台加开槽面以及嵌金属丝燃烧实现大燃面,而二级药柱的稳定燃烧为6根金属丝所产生的锥面((4个大锥面+2个小锥面)组成,从而实现单室双推力。根据金属丝燃烧机理,嵌金属丝后,沿金属丝燃速增加K倍,K=rf/ro,式中rf为沿金属丝的燃速,ro为药柱的燃速。为了简化计算,将沿金属丝的燃烧假设为锥顶角为2e的锥体,在整个燃烧过程中,认为K是一个不随燃烧室压强变化的常量。且假设金属丝一露出,在燃气中即熔化并随即以此为顶点形成新的锥体。

该药柱模型较为复杂,在燃烧过程中会产生很多的燃面,如果采用之前介绍的几种燃面计算方法有各自的复杂性。根据介绍的药柱建模方法,采用了多实体的布尔减运算来模拟药柱的燃烧过程。

4.2 燃面模型简化

由“几何燃烧定律”,各燃面的燃烧情况可以简化为如下:

凸台面由4部分组成,尾部端面,圆锥面,未包覆的圆柱面和在未包覆分界点形成的球弧面,整个燃面属于减面燃烧。另外随着肉厚e的推移,将存在圆锥凸台消失(最后退化为圆柱)和尾部端面消失(最后退化为圆锥)两种情况,这在程序中可以预先判断。当燃烧肉厚e等于装药半径时,未包覆的凸台面完全消失。

开槽面燃烧按照肉厚分为两段情况,当燃烧肉厚e如图所示时,整个燃面将由三段圆弧面组成,中间段圆弧面是开槽处未包覆的柱面燃烧后的燃面,整个燃面为增面燃烧;当燃烧肉厚。如图所示时,整个燃面为减面燃烧,可简化为两段圆弧组成。另外在槽底处将形成不断扩大的槽底环形曲面(它是一个绕装药轴线旋转的环形曲面的一部分)及部分球面。

金属丝的燃烧按照沿金属丝的等距扩张而形成锥坑面,为增面燃烧,大大增加了装药的燃面,这正是在固体推进剂内嵌入金属丝的根本目的,从简化角度考虑可以把K当作常量来处理。由于部分燃面跟金属丝平行,所以当燃面等距扩张到金属丝时,暴露在高温燃气中的整段金属丝将熔化,从而在该处形成了一个类似漏斗的燃面,并随后将以金属丝直径熔化形成的空腔为中心扩张燃烧,形成的燃面,为增面燃烧。

4.3计算结果

利用该燃面计算方法对上述嵌金属丝复杂装药进行燃面计算,再采用瞬时平衡压强法确定出瞬时平衡压强pe和肉厚e的相互关系,然后通过燃速计算公式确定肉厚e和时间t的相互关系,从而建立了pe和t的变化关系,最后利用推力计算公式得到推力F随时间t的变化关系曲线。图10是计算得到的燃面Ab随肉厚e的变化曲线,图是药柱初温分别为50°C和-40°C时计算与试验的推力(F)一时间(t)曲线图。

从图中可以看出该计算方法较好地模拟了嵌金属丝药柱的整个燃烧过程,采用SolidWorks二次开发计算所得的发动机性能跟实验结果吻合得较好,具有较高的计算精度。由于程序所建立的过渡段内弹道计算模型作了一定简化,以致忽略了燃烧室压强对药柱结构完整性的影响,导致过渡段的计算结果比试验结果偏小,这些问题需在以后的研究中继续完善。

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才