小型双脉冲发动机金属膜片的承压与破裂

徐明; 封锋; 曹钦柳; 党建涛

doi:10.11883/bzycj-2019-0126

小型双脉冲发动机金属膜片的承压与破裂

doi: 10.11883/bzycj-2019-0126

徐明^1,,
封锋^1, ,,
曹钦柳¹,
党建涛²

1.
南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094
2.
中国航天科技七院，四川成都 610100

详细信息

作者简介:
徐　明（1991－　），男，硕士研究生，15720820350@163.com

通讯作者:
封　锋（1982－　），男，博士，副教授，nust203@aliyun.com

中图分类号: O389; V435
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出版历程
- 收稿日期: 2019-04-16
- 修回日期: 2019-09-29
- 网络出版日期: 2020-02-25
- 刊出日期: 2020-04-01

Pressure-bearing and fracture behaviors of metal diaphragms in a small double-pulse engine

1.
School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China
2.
Seventh Institute, China Aerospace Science and Technology, Chengdu 610100, Sichuan, China

摘要

摘要: 为了得到双脉冲发动机隔舱处金属膜片的适宜结构，本文中采用Johnson-Cook材料损伤模型对不同规格金属膜片的承压、破裂过程进行了数值模拟，确定某种规格金属膜片满足设计要求。针对符合要求的金属膜片结构，设计了一套测双向测压装置，对金属膜片的承压、破裂过程依次进行试验。验证了所采用的金属膜片在一脉冲工作时其结构完整没有发生破裂，在二脉冲工作时金属膜片沿着预制刻痕破裂且没有金属碎片脱离，承压和破裂均能满足发动机正常工作要求。通过数值模拟和实验进行对比，发现得到的结果接近，说明采用本文的数值模拟方法研究金属膜片承压与破裂是可行的。通过数值模拟发现，在相同金属膜片厚径比时，随着金属膜片直径的增大，破裂时所需的压强先增大后减小再增大。
- 双脉冲发动机 /
- 金属膜片 /
- Johnson-Cook损伤模型 /
- 破裂规律
Abstract: In order to obtain the suitable structure of the metal diaphragm in the double-pulse engine compartment, this study used the Johnson-Cook material damage model to numerically simulate the pressure-bearing and rupture process of metal diaphragms of different specifications. The results determined the metal diaphragm of a certain specification to meet the design requirements. A set of two-way pressure measuring device was designed to study the pressure-bearing and rupture behaviors of the metal diaphragm. The results show that the metal diaphragm has no structural rupture during one-pulse operation. During the two-pulse operation, the metal diaphragm breaks along the pre-cut and no metal fragments are detached. The pressure-bearing and rupture behavior can meet the working requirements in the engine. The results obtained by numerical simulation are in good agreement with the experiment data, which shows that it is feasible to use the numerical simulation method to study the bearing and cracking of metal diaphragm. Furthermore, simulation study shows that as the diameter increases with the thickness-diameter ratio of the metal diaphragm kept constant, the pressure required for the rupture increases at first and then decreases, and then it increases again.
- double-pulse engine /
- metal diaphragm /
- Johnson-Cook damage model /
- law of rupture

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图 1 金属膜片

Figure 1. Metal diaphragm

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图 2 金属膜片的三维结构

Figure 2. Three-dimensional structure of metal diaphragm

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图 3 金属膜片的承压计算模型

Figure 3. Pressure calculation model of metal diaphragm

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图 4 金属膜片的破裂计算模型

Figure 4. Rupture calculation model of metal diaphragm

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图 5 承压状态下金属膜片的应变

Figure 5. Strain of metal diaphragm under pressure

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图 6 承压状态下金属膜片的应力

Figure 6. Stress of metal diaphragm under pressure

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图 7 承压状态下支撑架的应变

Figure 7. Strain of support frame under pressure

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图 8 承压状态下支撑架的应力

Figure 8. Stress of support frame under pressure

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图 9 0.021 ms时刚出现裂纹

Figure 9. Crack just appeared at 0.021 ms

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图 10 0.027 ms时中间破裂状态

Figure 10. Intermediate rupture state at 0.027 ms

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图 11 0.038 5 ms破裂结束状态

Figure 11. Rupture end state 0.038 5 ms

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图 12 实验布设

Figure 12. Experimental device

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图 13 测压装置结构

Figure 13. Pressure measuring device

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图 14 承压实验的压强

Figure 14. Pressure curves of pressure tests

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图 15 破裂实验的压强

Figure 15. Pressure curves of crack tests

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图 16 承压实验后的金属膜片D

Figure 16. Metal diaphragm D after pressure test

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图 17 破裂实验后的金属膜片D

Figure 17. Metal diaphragm D after crack test

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图 18 不同尺寸的金属膜片D在产生裂纹时的应变云图

Figure 18. Strain clouds of different metal diaphragm D when cracks occur

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图 19 金属膜片D的直径、厚度和产生裂纹时压强的拟合关系

Figure 19. Fitting relationships between diameter and thickness of metal diaphragm D and pressure when cracks occur

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表 1 金属膜片和支撑架的参数

Table 1. Parameters of metal diaphragm and support frame

部位	材料	密度/(kg·m⁻³)	弹性模量/GPa	泊松比	抗拉强度/MPa	断裂应变
金属膜片	2A12铝合金	2 770	71.7	0.33	405	0.080
支撑架	30CrMnSiA	7 850	196.0	0.30	1 080	0.057

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表 2 金属膜片尺寸

Table 2. Metal diaphragm size

规格	膜片直径/ mm	膜片厚度/ mm	十字刻痕深度/mm	十字刻痕处的有效厚度/mm	四个圆弧刻痕深度/mm	圆弧处有效厚度/mm	刻痕截面的角度/(°)
A	28	1.5	1.0	0.5	0.7	0.8	60
B	28	1.0	0.5	0.5	0.2	0.8	60
C	28	0.8	0.4	0.4	0.2	0.6	60
D	28	0.7	0.5	0.2	0.3	0.4	60

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表 3 金属膜片结构的完整性

Table 3. Structural integrity of the metal diaphragm

规格	承压状态	破裂状态
A	有效，基本无形变	没破裂
B	有效，基本无形变	没破裂
C	有效，形变较小	破裂，但破裂程度不够
D	有效，形变较小	破裂，打开的程度满足要求

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表 4 金属膜片参数

Table 4. Metal diaphragm parameters

规格	膜片直径/ mm	膜片厚度/ mm	十字刻痕深度/mm	十字刻痕处的有效厚度/mm	四个圆弧刻痕深度/mm	圆弧处有效厚度/mm	刻痕截面的角度/（°）	圆弧刻痕距膜片中心的距离/mm	出现裂纹时的压强/MPa
D1	36	0.9	0.65	0.25	0.39	0.51	60	16.20	5.5
D2	44	1.1	0.75	0.35	0.47	0.63	60	19.58	6.8
D3	52	1.3	0.93	0.37	0.55	0.75	60	23.14	8.0
D4	60	1.5	1.07	0.43	0.64	0.86	60	26.70	9.4
D5	76	1.9	1.36	0.54	0.82	1.08	60	33.82	6.5
D6	92	2.3	1.64	0.66	1.00	1.30	60	40.95	7.5
D7	108	2.7	1.93	0.77	1.16	1.54	60	48.06	8.4
D8	124	3.1	2.21	0.89	1.33	1.77	60	55.18	9.4
D9	160	4.0	2.86	1.14	1.72	2.28	60	71.20	11.2

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