北航CATIA大作業(yè)實驗報告

1、CATIA大作業(yè)實驗報告固體火箭發(fā)動機設(shè)計院（系）名稱專業(yè)名稱學(xué)生信息 2015年12月17日表1 固體火箭發(fā)動機小組成員完成作業(yè)情況表組員學(xué)號姓名工作內(nèi)容零件名稱組長火箭發(fā)動機部分部件的設(shè)計，對7種零件進行CATIA建模及助推器外場建模與仿真3ranshaoshiyuantongduanCATPart5qianfengtouCATPart6dianhuoyaoheCATPart7dianhuoyaoCATPart8dianhuoqiCATPart11anzhuangguajiaCATPart13huojianwaiketiCATPart成員火箭發(fā)動機另一部分部件的設(shè)計，對6種零件進行CATI

2、A建模及火箭發(fā)動機內(nèi)場建模與仿真1HOUFENGTOUCATPart2HOUDANGYAOBANCATPart4yaozhuCATPart9penguanhoubuCATPart10penguanchukouCATPart12qidiaoniuCATPart一、研究背景航天技術(shù)是20世紀人類認識宇宙和改造自然進程中最有創(chuàng)新活力、最有開拓影響的高新技術(shù)領(lǐng)域，也是人類文明進步的重要標志。眾所周知，火箭發(fā)動機是導(dǎo)彈、運載火箭和航天器的心臟；是導(dǎo)彈、運載火箭和航天器得以迅速發(fā)展的前提；是航天技術(shù)發(fā)展的重要組成部分。而現(xiàn)階段用作運載的火箭發(fā)動機主要分為固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機兩種。相對于液體火箭發(fā)

3、動機，固體火箭發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單，推進劑密度大，推進劑可以儲存在燃燒到中常備待用和操縱方便可靠等優(yōu)點。固體火箭發(fā)動機由藥柱、燃燒室、噴管組件和點火裝置等組成。藥柱是由推進劑與少量添加劑制成的中空圓柱體（中空部分為燃燒面，其橫截面形狀有圓形、星形等）。藥柱置于燃燒室（一般即為發(fā)動機殼體）中。在推進劑燃燒時，燃燒室須承受25003500度的高溫和1022×107帕的高壓力，所以須用高強度合金鋼、鈦合金或復(fù)合材料制造，并在藥柱與燃燒內(nèi)壁間裝備隔熱襯。點火裝置用于點燃藥柱，通常由電發(fā)火管和火藥盒（裝黑火藥或煙火劑）組成。通電后由電熱絲點燃黑火藥，再由黑火藥點火燃藥拄。噴管除使燃氣膨脹加速產(chǎn)生

4、推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統(tǒng)組成噴管組件。該系統(tǒng)能改變?nèi)細鈬娚浣嵌?，從而實現(xiàn)推力方向的改變。藥柱燃燒完畢，發(fā)動機便停止工作。而它主要用作火箭彈、導(dǎo)彈和探空火箭的發(fā)動機，以及航天器發(fā)射和飛機起飛的助推發(fā)動機。結(jié)合本專業(yè)布置了設(shè)計固體火箭發(fā)動機的任務(wù)和CATIA大作業(yè)，宇航學(xué)院航空宇航推進理論與工程的兩名學(xué)生通過分工合作完成此次課題任務(wù)。其中，根據(jù)所學(xué)知識，自行設(shè)定目標參數(shù)。根據(jù)擬定的參數(shù)，對固體火箭發(fā)動機推力室進行設(shè)計作圖。時間如有剩余，將對固體火箭發(fā)動機推力室的工作狀況進行數(shù)值模擬，檢測相關(guān)參數(shù)是否達到設(shè)計要求。二、 設(shè)計目標本次設(shè)計對象為固體火箭發(fā)動機為地空導(dǎo)彈助推器，工作

5、時間很短，僅為34.3s，而推力需求為610噸級，屬于典型的短時大推力發(fā)動機，故應(yīng)用大燃面裝配藥柱設(shè)計；使用溫度為50；已知推進劑為SFM3，要求燃燒室外徑D0.654m，發(fā)動機總長L2.59m，故要求發(fā)動機的結(jié)構(gòu)盡量緊湊。另外，鑒于推進劑的燃燒性能（點火壓強）不高，故對點火裝置的設(shè)計可采用一般點火藥。 綜合上述設(shè)計分析，初步確定發(fā)動機的主要設(shè)計為：單根管形藥柱裝藥，端面不阻燃；點火藥選用國產(chǎn)黑火藥粒；燃燒室采用常用的圓柱筒體+橢球體前后封頭設(shè)計?？傮w初步設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如下：三、 已知參數(shù)總沖： 推力：起始推力60100kN，終結(jié)推力小于60kN工作時間： 34.3s發(fā)動機外徑： 發(fā)動機總長：四、

6、 參數(shù)選擇1、 推進劑選擇選用SFM-3作為推進劑，查閱相關(guān)資料其成分如下：成分含量（%）硝化纖維（13.15%N）56.303硝化甘油25.818二硝基甲苯12.015氧化鎂2.284鄰苯二甲酸二丁酯1.887凡士林0.993水分0.7查閱資料及經(jīng)過熱力計算可得該推進劑的性質(zhì)參數(shù)如下：密度：；燃速系數(shù)：； 燃速溫度敏感系數(shù)：；絕熱指數(shù)：； 壓強指數(shù)：；比沖：；特征速度； 臨界壓強：；燃燒溫度：。2、 燃燒室壓強對于雙基推進劑，為保證正常燃燒，選取的燃燒室壓強必須高于推進劑的臨界壓強。參考已有型號的發(fā)動機數(shù)據(jù)，所設(shè)計發(fā)動機的燃燒室最高壓強不能超過。壓強太大則發(fā)動機外壁較厚導(dǎo)致其重量增大，壓強太

7、小則影響其工作效率，綜合考慮發(fā)動機性能和重量因素，為達到性能要求選取燃燒室壓強。3、 出口壓強對于低空飛行的導(dǎo)彈，如低空防空導(dǎo)彈等，可以認為其工作高度一定（即外界大氣壓強一定），這種情況下獲得最大推力的條件是 （是噴管出口壓強），即噴管工作在完全膨脹狀態(tài)下，這表明所設(shè)計的噴管出口壓強大致可取為。4、 發(fā)動機內(nèi)徑總體參數(shù)要求發(fā)動機外徑不超過，綜合考慮燃燒室容積、殼體壁厚和便于加工等因素，取發(fā)動機內(nèi)徑為。5、 發(fā)動機結(jié)構(gòu)形式的選擇為保證發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度且便于拆裝，殼體和前后封頭都采用焊接，噴管和后封頭、前端蓋和前封頭的連接部分采用螺紋連接。五、 發(fā)動機主要結(jié)構(gòu)設(shè)計1、 發(fā)動機裝藥設(shè)計1.1藥柱設(shè)計根

8、據(jù)總沖計算藥柱體積：所設(shè)計的發(fā)動機具有工作時間短、推力大的特點，因此采用側(cè)端面同時燃燒的管型裝藥。為裝配方便，選用藥柱形式為單管藥柱，根據(jù)總沖計算藥柱體積(為滿足比沖的要求設(shè)定的余量)。確定通氣參量：通氣參量æ，是藥柱燃燒時燃面的面積，是燃氣流通的面積。由于該藥柱是管型裝藥且端面不阻燃，故要計算內(nèi)外兩個通氣參量，由于端面燃面相對于柱面燃面很小，故計算通氣參量時可將其忽略，æ內(nèi)，æ外。其中，是管型藥柱內(nèi)徑，是管型藥柱外徑，是藥柱長度，是燃燒室內(nèi)徑。令æ內(nèi)æ外，即æ內(nèi)æ外。肉厚應(yīng)滿足燃速系數(shù)的條件，即：，其中，為燃速系數(shù)，是選取

9、的燃燒室壓強，是壓強指數(shù)，是最短工作時間。藥柱質(zhì)量，通氣參量æ的關(guān)系可由下推出：æ消去，得：肉厚分數(shù)查1中與的相關(guān)關(guān)系圖表可得，時，æ=116.3，臨界通氣參數(shù)æcr，符合要求。藥柱長度和直徑設(shè)計：根據(jù)、æ與藥柱的內(nèi)徑、外徑關(guān)系圖表可知，取藥柱內(nèi)徑為，藥柱外徑取，則藥柱長度為?？紤]到發(fā)動機總長度的要求，根據(jù)以往發(fā)動機型號的設(shè)計經(jīng)驗，取。裝藥驗算：根據(jù)以上設(shè)計公式以及總沖計算公式可得該藥柱總沖：可見，所設(shè)計的藥柱的總沖滿足發(fā)動機的總沖要求。2、 發(fā)動機燃燒室設(shè)計2.1殼體設(shè)計材料選擇：綜合考慮力學(xué)性能、高溫性能、重量和價格等因素，選用牌號為30C

10、rMnSiA的合金鋼作為發(fā)動機的殼體材料，調(diào)質(zhì)處理后其拉伸強度。連接結(jié)構(gòu)：為安裝頂蓋和點火裝置，前封頭與頂蓋采用可拆螺紋連接；燃燒室與上一級結(jié)構(gòu)用連接座連接，連接座焊于前封頭上；其它段與段之間的連接均采用電弧焊接。應(yīng)力分析及強度校核：采用焊接燃燒室殼體，根據(jù)薄殼理論，僅承受內(nèi)壓作用時的最小壁厚公式為：其中，根據(jù)內(nèi)彈道計算，得，焊縫系數(shù)取0.9，取安全系數(shù)，則。把以上各數(shù)代入求最小壁厚公式中，得：?？紤]機械加工精度和高溫引起的力學(xué)性能下降，取壁厚為6mm。燃燒室前封頭采用的蝶形封頭，與燃燒室殼體等強度設(shè)計，同樣取壁厚6mm。封閉薄壁圓筒在內(nèi)壓的作用下，壁面壓力為：其中，是軸向應(yīng)力，是周向應(yīng)力，是

11、實際壁厚。根據(jù)以上計算結(jié)果得：故殼體厚度滿足強度要求。封頭尺寸的確定：綜合考慮封頭強度和工藝水平，根據(jù)已有發(fā)動機設(shè)計的經(jīng)驗，所采用的蝶形封頭要與發(fā)動機殼體厚度相同，其余的尺寸查零件手冊即可自行得到。2.2內(nèi)絕熱層設(shè)計由于本次設(shè)計的發(fā)動機為短時間工作的中小型固體火箭發(fā)動機，且燃燒溫度不高，對內(nèi)絕熱層的設(shè)計要求不高，在上述殼體壁厚的確定中已做了考慮，在這里不再贅述。2.3擋藥板設(shè)計擋藥板起著防止燃燒室內(nèi)的藥柱堵塞噴管的后支撐作用，可以防止自由裝填的藥柱在軸向上的運動。前擋藥板處于燃氣不流動的頭部，燒蝕不是很嚴重，故對其材料和結(jié)構(gòu)都要求不高，常用的有彈簧片、網(wǎng)罩、帶肋的隔圈等，與前封頭采用不可拆的焊

12、接。后擋藥板工作條件惡劣，要在高溫和高流速下可靠工作，故對其材料和結(jié)構(gòu)要求較高，采用“不固定安裝”，由裙片傳動于后封頭，使用散熱性能較好的10號鋼制造。在直板上開環(huán)形槽，將環(huán)形鋼條嵌入槽中并焊接成型。為提高耐燒蝕能力，在表面噴涂絕熱涂層。而前后擋藥板的具體的參數(shù)應(yīng)根據(jù)藥柱結(jié)構(gòu)、發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)和以往發(fā)動機設(shè)計的經(jīng)驗參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整。2.4發(fā)動機噴管設(shè)計噴管喉部面積及直徑：:由于給出了初始推力（60100kN）和終結(jié)推力(60kN)的范圍，而管型裝藥為減面燃燒,故選取64KN作為初始推力用于計算喉部面積，根據(jù)推力公式，選取推力系數(shù)，則： 在加工制造中要把喉部直徑圓整，取其為90。結(jié)構(gòu)及氣動設(shè)計：為

13、考慮裝藥，噴管不使用焊接，而使用螺紋與燃燒室封頭連接?？紤]噴管長度和效率，使用 錐形噴管擴張段。噴管熱防護設(shè)計：類似于燃燒室殼體壁厚的估算方法，再考慮到噴管靠近喉部的部分流速快、溫度高，熱環(huán)境相對燃燒室圓筒段惡劣，參考已有相關(guān)型號的設(shè)計參數(shù)，選取噴管殼體厚度為：2.5發(fā)動機點火裝置設(shè)計點火藥的選擇：黑火藥具有價格低廉，熱感度高，燃燒固體產(chǎn)物多等優(yōu)點，試選用黑火藥作為點火藥。點火藥量的計算：藥柱的的初始燃面面積：燃燒室容積：主裝藥的裝填密度：噴管喉部面積：將以上各值代入經(jīng)驗公式：故取點火藥量350g。點火藥盒的設(shè)計：在前端蓋上鉆孔伸入兩個發(fā)火管，通過電發(fā)火管引燃點火藥盒。藥盒后有傘形導(dǎo)疏片，將燃

14、氣均勻地導(dǎo)向管型藥柱的內(nèi)表面和外表面。選用0.5mm厚的工業(yè)純鋁板，制成圓餅形藥盒；為控制點火藥能完全燃燒并能按一定要求將點火燃氣均勻噴射到藥柱燃燒面上，藥盒上開有50的排氣孔，采用紙板賭氣密封，排氣孔后端設(shè)置一圓柱腔，點火燃氣首先進入該腔體內(nèi)，然后腔體周壁的排氣孔噴射到藥柱燃燒表面上。點火藥盒與圓柱腔左端壓合，整體由螺紋連接到頂蓋上。點火藥由兩個對稱分布的電發(fā)火管引燃，兩個發(fā)火管借同一發(fā)火電源，并聯(lián)工作，以保證黑火藥點燃均勻。六、 CATIA建模過程簡述固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由殼體、點火器、藥柱和噴管構(gòu)成?？紤]到發(fā)動機尺寸較大，結(jié)構(gòu)較重，根據(jù)安裝及運輸?shù)男枨螅O(shè)計了相應(yīng)零件。綜上，

15、該型號固體火箭發(fā)動機最終設(shè)計了十三種、十五個零件。常見的火箭發(fā)動機基本由回轉(zhuǎn)體構(gòu)成，因此，設(shè)計的零件也基本由輪廓、旋轉(zhuǎn)體、凹槽、旋轉(zhuǎn)槽以及孔特征進行建模。如后封頭、擋藥板、燃燒室圓筒段、藥柱、前封頭、點火藥盒、點火藥噴管喉部和安裝掛架等零件均由上述操作完成。根據(jù)設(shè)計需要，起吊鈕則在運用上述建模特征的同時，又引入倒角、拔模等操作。至此，上述零件的設(shè)計過程基本涵蓋了零件設(shè)計的各項特征設(shè)計。考慮到固體火箭發(fā)動機具有軸對稱特性，CATIA零件設(shè)計功能基本可以完成主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計，為了使零件中具有一定數(shù)目的曲面構(gòu)型，在火花塞點火器、噴管出口以及殼體的設(shè)計中應(yīng)用曲面設(shè)計進行建模。噴管出口以建立曲面為基礎(chǔ)，通

16、過“封閉曲面”命令創(chuàng)建了噴管出口的實體部分；火花塞點火器則是通過掃掠、厚曲面操作繪制出點火器的導(dǎo)線部分；關(guān)于殼體部分，先由“旋轉(zhuǎn)曲面”生成柱體部分，再由“橋接”命令生成殼體頂部尖角，最后通過“厚曲面”命令生成實體。綜上所述，即為零件的建模過程。過程中包含了豐富的零件設(shè)計、曲面設(shè)計的操作，最終通過設(shè)計好的配合曲面完成固體火箭發(fā)動機的裝配過程。圖1是半剖視圖，圖2是爆炸視圖。雖然組內(nèi)成員個數(shù)較少，但很多零件都是兩人商量討論、共同合作完成的。在建模的工作任務(wù)分配中，保證了每個人都盡量熟悉CATIA上的相關(guān)操作，并且在構(gòu)建曲面構(gòu)型時，除了老師所講授的操作方法之外，我們還主動到圖書館借閱與CATIA有關(guān)

17、的書籍，從而實現(xiàn)“被動學(xué)習(xí)”到“自主學(xué)習(xí)”的一個跨越，真正做到了“教學(xué)相長”。注：為了以后方便畫工程圖，CATIA建模均按實際：模型=2：1的比例制作！圖1 半剖視圖圖2 爆炸視圖七、 發(fā)動機內(nèi)彈道計算圖3 固體火箭發(fā)動機內(nèi)場結(jié)構(gòu)網(wǎng)格燃燒室壓強是發(fā)動機工作中一個十分重要的參數(shù)。首先，由推力公式可以看到，發(fā)動機設(shè)計好后，推力系數(shù)和噴管喉部截面積可當作定值，故發(fā)動機的主要性能推力是直接決定于燃燒室壓強的。其次，推進劑的燃速是隨壓強變化的，壓強越高，燃速越快，推進劑燃燒時間隨著壓強的提高、燃速的增大而減小。再次，燃燒室壓強又是一個從發(fā)動機設(shè)計角度而言較重要的設(shè)計參數(shù)，為了進行強度計算，必須先確定燃燒

18、室中可能出現(xiàn)的最大壓強。壓強的高低直接影響對燃燒室的強度要求和發(fā)動機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，而后者又是發(fā)動機性能中的一個重要參數(shù)。燃燒室溫度也是發(fā)動機工作中的重要參數(shù)，通過溫度分布可看出火藥在發(fā)動機內(nèi)燃燒的完全程度從而可分析出發(fā)動機結(jié)構(gòu)需要改進的部分，并且近壁處的溫度分布是發(fā)動機熱防護設(shè)計的關(guān)鍵的參考因素。在2中“固體火箭發(fā)動機內(nèi)彈道學(xué)”一章給出了運用零維思路，簡化燃燒條件的情況下計算燃燒室壓強隨時間變化的方法，但組內(nèi)XX同學(xué)的研究方向就是“火箭發(fā)動機內(nèi)的燃燒計算”，故選用組內(nèi)自編程序，導(dǎo)入網(wǎng)格，進行發(fā)動機的燃燒計算。由于所要計算的是“固體火箭發(fā)動機”內(nèi)的燃燒流動，如果再把藥柱當作燃燒的固體來看，則處理方法非常困難，可能需要在程序中同時運用“有限體積法”和“有限元”法，我們水平有限，故選取藥柱燃燒某一瞬時，采用瞬態(tài)平衡法計算當前時刻平衡時流場的壓強和溫度。所畫的三維結(jié)構(gòu)拓撲網(wǎng)格如圖3示，未畫的圓筒段那部分表示未燃燒的藥柱，由于燃氣不能通過未燃燒的藥柱，所做處理是合理的。根據(jù)湍流模型的需求，選取附面層厚度是0.05，具體的網(wǎng)格建立細節(jié)在此不贅述。 圖4 壓力分布云圖從圖4 可見，最高壓力為7左右，由于設(shè)計時選取燃燒室壓強即為，故所設(shè)計的發(fā)動機符合要