05第五章 固体火箭发动机结构设计-2010年

2010-12-3
2.连接结构 连接结构 1）螺纹连接：结构紧凑，连接可靠，制造容易，装配方便 。 ）螺纹连接：结构紧凑，连接可靠，制造容易， 齿形：三角形（细牙）： ）：气密性好 齿形：三角形（细牙）：气密性好 中小口径发动机 梯形：承压性能高、不易松脱， 梯形：承压性能高、不易松脱，大口径发动机 要求：有定位面， 要求：有定位面，增加同轴性 加制动螺钉、 加制动螺钉、防松动
（1）燃烧室壳体结构的选择 ）
1.壳体结构形状 壳体结构形状 1）金属结构：圆筒形、旋成体 ）金属结构：圆筒形、 联接方式：螺纹、 联接方式：螺纹、法兰盘 外螺纹结构： 外螺纹结构：气密性好 小口径、 小口径、低飞行速度 ）、（b）、（ 图（a）、（ ）、（ ） ）、（ ）、（c） 内螺纹结构： 内螺纹结构：气动外形好 大口径、 大口径、高飞行速度 ）、（e）、（ 图（d）、（ ）、（ ） ）、（ ）、（f） 半封闭结构：同轴性好、 半封闭结构：同轴性好、 工艺复杂 ）、（h）、（ 图（g）、（ ）、（ ） ）、（ ）、（i）
（3）燃烧室壳体壁厚计算 ） 主要任务 按强度要求确定燃烧室壁的厚度 根据燃烧室壁厚作强度校核 燃烧室载荷分析 燃气压力 旋转时离心惯性力 运输时振动冲击力 弹道上运动的惯性力
2010-12-3
尾翼式火箭弹燃烧室壳体壁厚计算 计算假设： 计算假设： 忽略外部大气压强 忽略切向惯性力、摆动惯性力以及空气动力和力矩 忽略切向惯性力、 忽略燃烧室壳体两端轴向力的差异， 忽略燃烧室壳体两端轴向力的差异，认为两端拉力相等 壳体为内壁受均布压力的密封容器
2010-12-3
（2）燃烧室壳体材料选择 ）
基本要求： 基本要求：
比强度高； 比强度高； 韧性好：不发生脆性破坏，冲击韧性和断裂韧性； 韧性好：不发生脆性破坏，冲击韧性和断裂韧性； 加工工艺性好：延伸率、焊接性、热处理性能等； 加工工艺性好：延伸率、焊接性、热处理性能等； 来源广，价格好。 来源广，价格好。
2010-12-3
尾翼式火箭弹燃烧室壳体壁厚计算
（a）按厚壁圆筒 ）
′ ri 2 p m re2 σ 1+ 2 应力分布： t = 2 应力分布： 2 re − ri r ri2 p′ re2 σ r = 2 m2 1 − 2 re − ri r
卡环连接结构图
4）不可拆卸连接：焊接 ）不可拆卸连接： 工艺简单，密封性好，质量轻，工艺要求高。 工艺简单，密封性好，质量轻，工艺要求高。 铆接 过盈连接
2010-12-3
3.密封结构 密封结构 作用：密闭、 作用：密闭、防潮及防燃气泄漏 1）平垫密封： ）平垫密封： 用于端面密封 材料：橡胶、石棉板、紫铜等。 材料：橡胶、石棉板、紫铜等。 2）O形圈密封： ） 形圈密封 形圈密封： 用于轴向密封，有专门设计规格要求。 用于轴向密封，有专门设计规格要求。 材料：硅橡胶、丁腈橡胶、聚四氟乙烯。 材料：硅橡胶、丁腈橡胶、聚四氟乙烯。 3）胶密封：硅橡胶 ）胶密封：
[σ ] − 3 p′m [σ ]
2010-12-3
若 re >> δ min 则 (re + ri ) / 2 ≈ re 由
re2 σ 4 = 3 p′ 2 2 m re − ri
σx σ r σt σ r
σt
ri re
得
δ min
′ 3 p m re = re − ri ≥ 2[σ ]
由经验选取
( 3)
2
n +1
δ c0
rav
n
δ c 0 = δ min
E：弹性模量 ：
壳体初始壁厚
由下式计算： n：材料的应变强化指数 ，由下式计算：σ 0.2 = 0.002 E ： σb n
由实验得出的安全系数一般为： 由实验得出的安全系数一般为： η
= 1 .5 ~ 2 .0
σ4 =
1 2
(σ t − σ z )2 + (σ z − σ r )2 + (σ r − σ t )2
re2 re2 − ri2 ≤ [σ ]
′ σ 4 = 3 pm
δ min
[σ ] − 1 或 = re − ri ≥ ri [σ ] − 3 p′m
δ min
= re − ri ≥ re 1 −
A bk
ri
跳动系数
2010-12-3
σ 由上式可知： 最大， 由上式可知：在r=ri处， r 、 σ t 最大，σ z 为常量
∴ σt =
re2 + ri 2 r − ri
2 e 2
′ pm σ z = −
ri 2 r − ri
2 e 2
′ pm
′ σ r = − pm
可见： 可见： σ t < σ z < σ r 用第四强度理论： 用第四强度理论：
燃烧室壳体应力分布图
2010-12-3
（b）按薄壁筒 ）
σt =
rav
δ min
′ pm
σ r = − p′ m
σz =
rav 2δ min p′ m
忽略σ r
δ min
′ pm re 2 p′ re m ≥ ≈ 2[σ ] / 3 + p′ / 2 2.3[σ ] + p′ m m
δ min
σ t > σ z >> σ r
2010-12-3
σM
M = W
h
b
M = ( Fh ) / n
W=
πdb
6
2
d − d1 h= 2 2
——牙根抗弯截面系数 牙根抗弯截面系数
F n
t
πd1
螺纹展开图
b ——牙根宽度 牙根宽度
σM =
3d P′ h M 6 Fh = = 2 m2 W nπd1b 2 2nd1b
2010-12-3
固体火箭发动机的性能要求： 固体火箭发动机的性能要求： 实现总体设计规定的方案 工作可靠 保证安全 质量优良 能长期储存
2010-12-3
5.1 燃烧室设计
燃烧室的用途： 燃烧室的用途： 平时贮存推进剂、 点火装置等； 平时贮存推进剂、 点火装置等； 工作时密封高温高压气体。 工作时密封高温高压气体。 基本要求： 基本要求： 在刚度和强度足够时，应尽量减轻质量； 在刚度和强度足够时，应尽量减轻质量； 比强度高 燃烧室与战斗部及喷管的连接要可靠，同轴性好； 燃烧室与战斗部及喷管的连接要可靠，同轴性好； 连接部位密封性要好。 连接部位密封性要好。
第五章 固体火箭发动机结构设计
2010-12-3
固体火箭发动机的组成： 固体火箭发动机的组成： 燃烧室、喷管、中间底、药柱、挡药板、点火装置、密封盖。 燃烧室、喷管、中间底、药柱、挡药板、点火装置、密封盖。
固体火箭发动机简图（自由装填） 固体火箭发动机简图（自由装填）
1—发动机顶盖；2—点火装置；3—头部弹性支持件；4—药柱； 发动机顶盖； 点火装置； 头部弹性支持件； 药柱； 发动机顶盖 点火装置 头部弹性支持件 药柱 5—药柱包覆层；6—隔热层；7—燃烧室壳体；8—药柱包覆层； 药柱包覆层； 隔热层； 燃烧室壳体； 药柱包覆层； 药柱包覆层 隔热层 燃烧室壳体 药柱包覆层 9—挡药板；10—喷管。 挡药板； 喷管。 挡药板 喷管
2010-12-3
（5）连接强度计算 ）
表5-4 螺纹螺距选择范围
弹径（ 弹径（mm） ） 螺距（ 螺距（mm） ）
< 100 1.5~2
100~200 2~3
＞200 3~4
螺纹受力： 螺纹受力： FLeabharlann Baidu
=
πd 2 2
4
′ pm
d 2 ：可用螺纹中径
将螺纹展开，按悬臂梁考虑， 均分布几圈上 将螺纹展开，按悬臂梁考虑，F均分布几圈上 受力：剪切、 受力：剪切、弯矩
螺纹连接结构图
2）螺栓连接（包括法兰盘）：连接可靠，同轴性、气密性好，装配方便， ）螺栓连接（包括法兰盘）：连接可靠，同轴性、气密性好，装配方便， ）：连接可靠 连接质量大， 连接质量大，用于大型发动机 要求： 要求：有定位面和密封圈
2010-12-3
3）卡环连接：同轴性好，装配方便 ，承压性能差，装配工艺性差。 ）卡环连接：同轴性好， 承压性能差，装配工艺性差。 中小口径发动机用的较少。 中小口径发动机用的较少。
1 3 2 1——连接底；2——壳体；3——后封头 连接底； 壳体； 连接底 壳体 后封头
2010-12-3
燃烧室设计的主要任务 ： 合理地选择结构形式和材料 根据所受载荷估算壳体壁厚及连接螺纹长度 进行强度验算确定壳体的强度储备量 进行受热分析和热防护设计
2010-12-3
5.1.1 燃烧室壳体设计
′ ′ pm ri 2 pm ri ≥ ≈ ′ ′ 2[σ ] / 3 − pm / 2 2.3[σ ] − pm
[σ ] = ψσ s / n s
ψ =0.9～1，焊缝修正系数 ～ ，
2010-12-3
1 σ4 = σ t2 + σ z2 − σ tσ z ≤ [σ ] 2
ns =1～1.15 ，安全系数 ～
注意： 注意：退刀槽 产生应力集中
2010-12-3
c Δ
∆De ——外径的下偏差值； 外径的下偏差值； 外径的下偏差值 ∆Di ——内径的上偏差值； 内径的上偏差值； 内径的上偏差值
ri
δ min——强度计算的最小壁厚； 强度计算的最小壁厚； 强度计算的最小壁厚
re
re c Δ
1 (∆De + ∆Di ) + ∆c 2
δ c1
δ2 c
ri
D i/2
可能不满足强度要求
D i/2
燃烧室图纸尺寸 ( De图 − Di图 ) / 2 = δ c = δ min
（4）燃烧室壳体强度校核 ）
安全系数： 安全系数： η =
P 破坏载荷 壳体破坏压力 = b = 最大实际载荷 Pm 室内最大实际压力
下限为安全性界限 上限为强度储备界限 按薄壁筒： 按薄壁筒： pb = σ b
D e/2 c δ3 re
De/2
δ c = δ min +
ri
∆c ——内外圆心最大偏心距， 内外圆心最大偏心距， 内外圆心最大偏心距
通常取 ∆c = ∆ e / 2
燃烧室的壁厚与公差
用焊接： 用焊接： c = δ min + ∆n + ∆m δ
板材厚度的负公差值; 板材厚度的负公差值 ∆n ——板材厚度的负公差值 ∆m ——热处理中所损失的总厚度。 热处理中所损失的总厚度。 热处理中所损失的总厚度
2010-12-3
种类及特性
1）金属：（ ）优质碳素钢 ）金属：（a） ：（ （b）合金结构钢 ） （c）高强度铝合金 ）
2010-12-3
种类及特性
2）复合材料：各种异性材料 ）复合材料： 基本材料： 基本材料：玻璃纤维 碳纤维、 碳纤维、硼纤维 粘接材料： 粘接材料：环氧树脂
2010-12-3
σx σ r σt σ r σt
ri re
σz =
′ ri 2 p m re2 − ri 2
燃烧室壳体应力分布图
——燃烧室壳体内半径 燃烧室壳体内半径; 燃烧室壳体内半径 r ——燃烧室壳体径向距离 燃烧室壳体径向距离; 燃烧室壳体径向距离 re ——燃烧室壳体外半径 燃烧室壳体外半径; 燃烧室壳体外半径 ′ p′ ——燃烧室计算压强 其值 p m = K p p m (+ 50°C ) K p =1.1～1.2 燃烧室计算压强, 燃烧室计算压强 ～ m 1 A ϕ (∴0 ) 1− n p m (+ 50°C ) = p eqk (− 40°C ) (1 + 30α p1 )(1 + 60α p 2 ) b 0
(g)
2010-12-3
焊接结构
1
2
3
1——连接底；2——壳体；3——后封头 连接底； 壳体； 连接底 壳体 后封头
2）纤维缠绕结构：比强度高，加工复杂、成本高 ）纤维缠绕结构：比强度高，加工复杂、 用高强度纤维在芯模上缠绕而成 不能加工螺纹， 不能加工螺纹，用金属环作为连接件
1——金属连接环；2——垫块；3——金属端环；4，8——高硅氧模压封头 金属连接环； 垫块； 金属端环； ， 金属连接环 垫块 金属端环 高硅氧模压封头 5——玻璃纤维布；6——隔热层；7——玻璃纤维；9——金属环；10——模压件 玻璃纤维布； 隔热层； 玻璃纤维； 金属环； 玻璃纤维布 隔热层 玻璃纤维 金属环 模压件
2010-12-3
固体火箭发动机简图（浇注） 固体火箭发动机简图（浇注）
1—顶盖；2—点火装置；3—燃烧室壳体；4—药柱； 顶盖； 点火装置； 燃烧室壳体； 药柱； 顶盖 点火装置 燃烧室壳体 药柱 5—底盖；6—喷管；7—石墨衬套；8—堵盖。 底盖； 喷管； 石墨衬套； 堵盖。 底盖 喷管 石墨衬套 堵盖