液体火箭发动机再生冷却槽黏塑性分析

液体火箭发动机再生冷却槽黏塑性分析

作者：杨进慧陈涛金平蔡国飙

来源：《计算机辅助工程》2013年第03期

摘要：采用Robinson黏塑性模型，利用渐近积分法结合大型有限元程序Marc完成液体火箭发动机再生冷却槽的热结构耦合分析.经验证，Robinson黏塑性模型能够很好地模拟内壁材料NARloy-Z高温时的拉伸特性，且在循环载荷下迟滞回环曲线与试验结果符合良好.冷却槽关键点应力分析明确阐释在不同工作阶段内外壁由于材料属性、工况不同导致的应力制约关系；残余应变分析清晰再现冷却槽“狗窝”失效模式及变形情况，同时为定量计算其损伤累积及剩余寿命提供坚实基础.

关键词：再生冷却槽；黏塑性分析；热结构；失效

中图分类号：V434.1文献标志码：B

0引言

液体火箭发动机推力室再生冷却槽两侧极大的温度梯度和压力梯度导致内壁在工作过程中产生很大的塑性变形，随着循环次数的增多，内壁逐渐变形减薄并向燃气侧凸起最后断裂，形成“狗窝”失效破坏[1-2]，准确分析上述热力循环载荷下内壁的结构失效过程是推力室失效模式分析及寿命预估的基础.

美国Lewis研究中心设计开展了多种关于再生冷却推力室的试验，首次提出“狗窝”失效模式，试验结果表明，非弹性应变的累积是推力室内壁失效的主要原因[3]；考虑推到力室工作过程中的高温环境，美国格兰研究中心（GRC）应用有限元方法结合Robinson和Freed等黏塑性统一本构方程分析推力室内壁的非线性响应，结果表明采用黏塑性模型进行结构分析能够更精确地预估推力室寿命[4]；其中，Robinson模型能够很好地模拟在不同应力状态和高温下合金的回弹效应，即在硬化阶段后恢复到相应的软化状态，该效应对蠕变失效有至关重要的作用[5].本文采用Robinson黏塑性模型，利用渐近积分法结合大型有限元程序Marc对液体火箭发动机再生冷却槽进行热结构耦合分析，旨在模拟其在工作过程中的变形情况及失效模式，进行详细的温度场及结构场分析，为进一步的损伤计算及寿命预估提供数据基础.

1数学物理模型

本文采用NASA Lewis研究所试验机作为液体火箭发动机再生冷却槽结构分析的计算算例，对其进行热结构耦合分析.典型的液体火箭发动机推力室壁面结构模型见图1，其外壳材料为镍基合金，衬层材料为铜合金NARloy-Z.

综上所述，Robinson黏塑性模型能够很好地描述冷却槽的失效模式及变形情况.3结论

首先验证Robinson黏塑性模型在有限元分析应用的正确性，然后对液体火箭发动机再生

冷却槽进行热结构耦合分析，结果表明：

Robinson黏塑性模型能够很好地模拟NARloy-Z高温时的拉伸特性，且在循环载荷下迟滞回环曲线与试验结果符合良好；

再生冷却槽Robinson黏塑性结构分析分别给出各关键点在发动机工作过程中的应力变化

情况，明确阐释在不同工作阶段内外壁由于材料属性、工况不同导致的应力制约关系；

Robinson黏塑性模型热结构耦合计算可以很好地描述再生冷却槽“狗窝”失效模式及变形情况，同时为定量计算其损伤累积及剩余寿命打下坚实基础.

参考文献：

[1]SUNG I K， ANDERSON W. Subscale-based rocket combustor life prediction methodology[R]. AIAA 2005-3570， 2005.

[2]RICCIUS J R， HAIDN O J， ZAMETAEV E B. Influence of time dependent effects on the estimated life time of liquid rocket combustion chamber walls[R]. AIAA-2004-3670-893， 2004.

[3]QUENTMEYER R J. Experimental fatigue life investigation of cylindrical thrust chambers[R]. AIAA-1977-893， 1977.

[4]ARYA V K， ARNOLD S M. Viscoplastic analysis of an experimental cylindrical thrust chamber liner[J]. AIAA Journal， 1992， 30（3）： 781-789.

[5]ROBINSON D N， ARNOLD S M. Effects of state recovery on creep buckling under variable loading[R]. N88-21527， 1988.

[6]ARYA V K，KAUFMAN A. Finite element implementation of robinson’s unified viscoplastic model and its application to some uniaxial and multiaxial problems[R]. NASA TM-89891， 1987.

[7]CHULYA A， WALKER K. A new uniformly valid asymptotic integration algorithm for elasto-plastic-creep and unified viscoplastic theories including continuum damage[R]. NASA TM-102344， 1989.

[8]薛小香，陈火红，尹伟奇. Marc二次开发指南[M]. 北京：科学出版社， 2004： 384-409.

[9]ESPOSITO J J， ZABORA R F. Thrust chamber life prediction volume I-Mechanical and physical properties of high performance rocket nozzle materials[R]. NASA CR-134806， 1975.