火箭发动机矢量喷管的热—结构耦合分析 毕业论文

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1、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、.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2726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

3、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

4、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

5、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

6、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，26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

7、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。26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

8、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