火箭发动机矢量喷管的热—结构耦合分析毕业论文.doc

目录第一章 绪论 11.1课题研究的背景目的意义 11.2 喷管热耦合分析技术现状及国内外发展趋势 11.3 本文的主要工作 2第二章 有限元分析理论 32.1 有限元分析理论概述 32.2 热分析 42.2.1 传热学经典理论 42.2.2 热传递的方式 42.2.3稳态传热 52.2.4线性与非线性 52.2.5边界条件、初始条件 52.2.6热分析误差估计 62.3耦合场分析 62.4结构的非线性问题 72.4.1 几何非线性 72.4.2线性问题的求解 7第三章 热分析及热—结构耦合分析 83.1 矢量喷管的几何模型 83.2 火箭发动机矢量喷管的热分析 103.2.1 热分析的相关参数 103.2.2热分析的步骤 103.3 火箭发动机矢量喷管的热—结构耦合分析 143.3.1火箭发动机矢量喷管的热—结构耦合分析的参数 143.3.2矢量喷管的热—结构耦合分析的步骤 143.4热分析及热—结构耦合分析小结 17第四章 矢量喷管流体—热—结构耦合分析 194.1 流体—热—结构耦合分析的相关参数 194.2流体热耦合的相关步骤 194.3 流体—热—结构耦合分析步骤 20总结 255.1全文总结 25参考文献 26致谢 27第一章 绪论1.1课题研究的背景目的意义 固体火箭发动机轴对称矢量喷管热耦合分析与仿真具有同时调节喉径和推力矢量的功能，保证了在调节推力大小和方向的过程中载荷集中于喷管扩张段的固定体，少量载荷分布于由直线电机驱动的喷管扩张片；从而使机构的运动件从高载荷、高温度高压状态转变为相对的低载荷、低温区域。

课题来源于指导教师，本次设计而使学生得到一次机械系统、控制系统和传感系统设计的训练提高学生的素质、创新能力、综合实践及应用能力稳定性等分析的主要课题，其研究为喷管设计和研制过程提供有价值的理论分析结果和数值计算依据[2]1.2 喷管热耦合分析技术现状及国内外发展趋势为了适应火箭、航天飞机等无舵飞行器的飞行要求，人类创造出矢量推进器，这种推进器通过尾部矢量摆动一定的角度，来控制喷射气体的喷射方向进而控制火箭或航天飞机的飞行方向，主要特点是具有很好的气动性能，能实现一定的矢量转角，提高了飞机的机动性和敏捷性本文是在了解飞机发动机轴对称推力矢量喷管结构和工作原理的基础上将飞机轴对称推力矢量喷管技术引用到固体火箭发动机喷管扩散段上，完成对固体火箭发动机轴对称推力矢量喷管尺寸及其关联结构的综合设计，使其满足现有固体火箭发动机轴对称矢量喷管的参数要求常见的矢量推力装置有燃气舵、摆动喷管、侧面开孔喷管等等，燃气舵因工作条件恶劣，寿命短，多用于一次性使用的飞行器或试验机，而用于飞机的矢量推进装置主要是以主要以摆动喷管为基础发展的矢量喷管采用推力矢量控制可提高飞机的过载及俯仰角速度，从而使飞机的机动性大幅提高；采用推力矢量控制的飞机比采用常规推力控制的飞机可以显著地减小转弯半径和转弯时间，满足了率先攻击和连续攻击的要求，使飞机获得更高的敏捷性，这对空战具有重要的意义。

由于矢量喷管中由流场、温度场和结构场相互作用，喷管内部受到热流体的冲刷，工作环境极端恶劣，它们相互接触但是热膨胀系数不匹配，在加热时彼此的膨胀和收缩程度不一致从而导致热应力的产生，因此需要进行热结构耦合分析目前国外对此项研究投入了大量的人力物力，D. K. Henneeke, Mfinchen等人在热耦合研究贡献最为突出，由于对外进行技术封锁，具体材料性能等详实内容大都未提及，我国对于矢量喷管的热耦合分析的研究也属于初级阶段，何洪庆等人对喷管热传导、喷管喉衬部件以及喷管热分析试验做了相关分析研究工作，虽然我国热耦合有限元分析技术还处于初级阶段，但是还有和多人为之奋斗1.3 本文的主要工作 本文在前人研究的基础上对固体火箭发动机轴对称矢量喷管进行了温度分布及其热应力分析和流体—热耦合分析，工作的主要内容如下：1. 调研固体火箭发动机管的作用、类型及特点，调研固体火箭发动机喷管系统的设计步骤、设计要求、设计计算的内容及方法，收集相关产品的资料2. 确定发动机喷管的运动方案；建立发动机喷管的三维热耦合模型3. 利用软件对发动机喷管进行动力学分析，分析仿真结果第二章 有限元分析理论有限元分析理论是工程数值分析的重要理论基础，本章将对其作简单介绍，还将给出热传导、流体—热—结构耦合的基本方程及相关的数值计算方法[4]。

2.1 有限元分析理论概述随着电子计算机和微积分学的迅速发展，一个新的分析理论，有限元分析理论走进我们的视野，有限元分析理论，自五十年代以来首先在连续体力学领域中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题有限元分析理论计算的大体思路：1)结构的离散化将物体的结构分成若干个小单元，由这些小单元组成计算模型，这一步称为单元剖分细化离散后的小单元之间通过节点相连接，使之成为一个既分散又统一的整体单元的数量的大小应视情况而定，一般情况下单元越多划分越细，反映出的变形越真实，得到的结果越准确但是划分的越细，划分的数量越多，则需要计算的计算量就越庞大，因此通过有限元法计算的物体，已经不是原来的物体，而是由若干个小单元通过一定的连接而成的离散物体，所以通过有限元法的计算所得到的结果都是趋近与真实结果，而并非真实结果2)单元的特性分析有限元分析方法中分为位移法、受力法和混合法三种位移法是以节点的位移作为未知量，可以把结构单元的物理量如位移、应力和应变由位移表示当采用位移法时，比较容易实现计算的自动化，所以位移法的应用范围最广这是通过每个小单元的位移可以绘制出一条机构单元的位移曲线，这条曲线近似于机构单元的真正位移曲线。

这条曲线所对应的函数为位移函数受力法是以节点的受力作为未知量的方法根据每一个单元的受力情况和位移可以得到每个单元的力和位移的关系式，这是单元分析中的关键此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤最后计算等效节点力物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上得力[3]2.2 热分析热分析是用于计算和分析一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，且根据温度场是否随时间变化可以分为稳态传热和瞬态传热两种情况的分析2.2.1 传热学经典理论热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律:对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕，有式中: Q — 热量;W — 做功;U—系统内能;KE—系统动能；PE—系统势能；2.2.2 热传递的方式 热传递有三种基本方式：导热、对流和辐射1、导热　 物体各部分之间不发生相对位移式，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热或热传递。

当物体内部存在温差，即存在温度梯度时热量从物体的高温部分传到物体的低温部分若是不同物体接触热量则会从高温物体传递到低温物体2、热对流　　对流是指由于流体的宏观运动从而使流体各部分之间发生相对位移、冷热流体互相掺混所引起的热量传递过程就引起流动的原因而论，对流换热可分为自然对流换热和强制对流换热两大类一般情况下，高温物体表面常会发生对流现象这是因为靠近高温物体表面的空气因受热而发生膨胀，密度降低，向上流动同时，密度较大的冷空气下降并代替了原来的受热空气热对流用牛顿冷却方程来描述：，式中h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等），为固体表面的温度，为周围流体的温度3、热辐射物体通过电磁波的方式来传递能量叫做辐射物体会因为各种原因而发出辐射能，其中，因为热的原因而发出辐射称为热辐射物体的温度越高，单位时间辐射的热量越多热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无需任何介质实际上在真空中的热辐射效率最高2.2.3稳态传热如果系统的净热流率为零，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量，这时系统处于热稳定状态在用ANSYS进行稳态热分析过程中任何一个节点的温度均不随时间变化。

稳态热分析能量平衡方程为：[K]{T}={Q}式中 [K]—传到矩阵，包含热导率、对流换热系数及热辐射率和形状系数； {T}—节点温度矢量； {Q}—节点热流率矢量，包含热生成 ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数及所施加的边界条件，生成[K]、{T}和{Q}2.2.4线性与非线性　　在ANSYS热分析过程中如果有下列情况的任何一种出现，则为非线性热分析：1) 材料热性能随温度变化；2) 边界条件随温度变化；3) 含有非线性单元；4) 考虑辐射传热2.2.5边界条件、初始条件1)第一类边界条件规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件此类边界条件最典型的例子就是规定边界上的温度保持为常数2）第二类边界条件规定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件此类边界条件最典型的例子就是规定边界上的热流密度保持为常数3）第三类边界条件规定了边界上的物体与周围流体间的表面传热系数和周围流体的温度，称为第三类边界条件初始条件是指传热过程开始时物体在整个区域中所具有的温度为已知数值2.2.6热分析误差估计1.用于评估由于网格精度不够高带来的误差；2.适用于实体或板壳的热单元；3.基于单元边界的施加热流密度的不连续；4. 对一种材料、线性、稳态热分析有效；5.使用自适应网格划分可以对误差进行控制[1]。

2.3耦合场分析有两种或多种物理场互相作用交叉影响的有限元分析我们称之为耦合场分析[5]不同的耦合场采用的分析方法也不一样，主要可分为两种不同方法，一种是顺序耦合方法，另一种直接耦合方法顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于某一物理场分析通过将前一个分析的结果，作为载荷施加到后一个分析中计算进行耦合，这种方法我们称之位顺序耦合方法这种方法要求单元和节点在数据库里和结果文件中的编号必须相同直接耦合方法只包含一个分析，只需要分析一次，一步完成.它所使用的耦合单元必须包含多场自由度的，具体包含什么物理场的自由度需要视情况而定通过计算适当的单元矩阵或计算单元载荷矢量来实现耦合对于线性问题，通过计算单元矩阵也就是矩阵耦合方法，只需要迭代一次就可以完成耦合场的相关计算而通过计算单元载荷矢量也就是载荷矢量耦合方法解决线性问题时，最少需要二次迭代对于非线性问题两种方法都需要二次迭代当耦合场的非线性不是特别高时，由于顺序耦合方法比直接耦合方法更灵活有效，顺序耦合可以单向也可以双向，具体问题具体分析视情况而定当耦合场的非线性程度很高时，两种方法都需要二次迭代时，这种时候直接耦合方法更有效。

2.4结构的非线性问题用简单的方法解决复杂的问题，这是一种数学思想这种近似理论适用大多数情况如，用线性方法解决非线性问题，这样就把非线性问题简单化但有时候有些问题线性理论并不是很好的解决非线性问题，这种时候必须使用非线性方法来解决这类问题分为两大类，一类是几何非线性，另一类是材料非线性2.4.1 几何非线性几何非线性问题是指的大位移问题或大转动问题例如板、壳等薄壁结构在一定载荷作用下，尽管应变很小，甚至未超过弹性极限。