摘要：為了減輕纖維纏繞固體火箭發(fā)動機的消極質(zhì)量，同時保證其結(jié)構(gòu)的可靠性，本文以概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合對某復(fù)合材料殼體的大量的內(nèi)壓爆破試驗和發(fā)動機試車結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計、梳理、歸一化處理的結(jié)果，對某復(fù)合材料殼體進(jìn)行了可靠性設(shè)計分析，獲得了基于當(dāng)前發(fā)動機復(fù)合材料殼體設(shè)計、制造水平的概率安全系數(shù)和概率安全裕度。分析結(jié)果表明，在保證殼體結(jié)構(gòu)可靠的基礎(chǔ)上，概率安全系數(shù)相對于傳統(tǒng)安全系數(shù)更低。當(dāng)可靠性概率在0.999~0.99999999范圍內(nèi)時，概率安全系數(shù)為=1.1261~1.232。依據(jù)概率安全系數(shù)設(shè)計的殼體，其概率安全裕度較實測平均安全裕度降低了38%以上。因此，結(jié)合實際制造和使用情況，殼體設(shè)計可適當(dāng)?shù)亟档桶踩禂?shù)來減輕殼體質(zhì)量，以此能夠有效地降低發(fā)動機的消極質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：固體火箭發(fā)動機;復(fù)合材料殼體;可靠性;安全系數(shù)
0引言
在確保固體火箭發(fā)動機可靠性的基礎(chǔ)上，降低其結(jié)構(gòu)質(zhì)量對于提高飛行器性能和降低成本都具有十分重要的意義[12]。為此，設(shè)計人員在傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機設(shè)計計算模型和大量工程試驗的基礎(chǔ)上，從可靠性分析方法上進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和嘗試。固體火箭發(fā)動機的可靠性是指在給定工作條件下，能使發(fā)動機性能保持在允許范圍內(nèi)，不發(fā)生發(fā)動機失效的能力，通常包含結(jié)構(gòu)可靠性和性能可靠性[3]。
航天結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計可通過結(jié)合航天結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、可靠性分配、可靠性預(yù)測、可靠性設(shè)計和可靠性評估，達(dá)到提高航天產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟效益、設(shè)計水平的目的。美國在發(fā)展阿波羅計劃期間，為節(jié)約成本，對固體助推器的可靠性進(jìn)行了仿真研究，到上世紀(jì)80年代末，該仿真方法已在各種固體火箭發(fā)動機上正式使用。可靠性仿真技術(shù)的出現(xiàn)使得固體火箭發(fā)動機的地面試車次數(shù)大大降低。國內(nèi)也在不斷地發(fā)展可靠性設(shè)計分析方法。1986年，馮連勝采用韋伯分布描述了超高強度鋼制成的固體火箭發(fā)動機金屬殼體的破壞應(yīng)力分布，并估算了固體火箭發(fā)動機殼體的結(jié)構(gòu)可靠性。
1988年，王松柏提出固體火箭發(fā)動機殼體的強度與溫度、時間等因素相關(guān)，進(jìn)而分別采用半隨機和全隨機過程對固體火箭發(fā)動機殼體的動態(tài)可靠性設(shè)計方法進(jìn)行了論述。1991年，張國安報道了這一種考慮固體火箭發(fā)動機殼體靜力破壞和殼體材料斷裂韌性要求的殼體厚度可靠性設(shè)計方法，結(jié)果表明殼體厚度存在一個最佳范圍，并非越大越好。1992年，黃世榮[1]則采用正態(tài)分布描述殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，并引入可靠性安全系數(shù)(平均強度與平均載荷之比)對固體火箭發(fā)動機殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。可靠性安全系數(shù)法既有可靠性設(shè)計的科學(xué)性，又具有類似于傳統(tǒng)安全系數(shù)法的方便性。
通過可靠性安全系數(shù)設(shè)計固體火箭發(fā)動機殼體，能夠在保證固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)可靠性的同時又能優(yōu)化固體火箭發(fā)動機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。1995年，王錚推導(dǎo)了具有隨機變量指數(shù)的發(fā)動機工作壓強和燃燒室殼體彈塑性爆破壓強的均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差的表達(dá)式，得到了傳統(tǒng)安全系數(shù)與可靠性概率的關(guān)系。1995年，任國周等[3]以某固體發(fā)動機殼體強度作為結(jié)構(gòu)可靠性主要因素，依據(jù)研制過程中積累的大量試驗數(shù)據(jù)，對評估發(fā)動機結(jié)構(gòu)可靠性的總體變異系數(shù)法和樣本變異系數(shù)法進(jìn)行了探討，并舉例對某產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了計算和評定。
1996年，譚三五報道了基于網(wǎng)格理論的復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)字仿真方法及程序。該仿真方法結(jié)合偽隨機數(shù)法和試驗修正法描述固體火箭發(fā)動機復(fù)合材料殼體的各項參數(shù)在均值附近的波動。此篇報道預(yù)示著國內(nèi)固體火箭發(fā)動機數(shù)字仿真工作的起步。2002年，徐志高等[1研究了金屬固體火箭發(fā)動機殼體的可靠性數(shù)字仿真及其程序，并用混同法產(chǎn)生的偽隨機數(shù)對殼體的可靠性進(jìn)行了仿真計算。
2005年，陳順祥等利用隨機有限元對具有隨機因素影響的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及可靠性計算，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計的探討。2006年，沈軍12進(jìn)行了CFRP纏繞壓力容器在纏繞工藝過程中和內(nèi)壓作用下的可靠性研究，編制了基于MATLAB的MonteCarlo可靠性計算軟件，實現(xiàn)了CFRP纏繞壓力容器可靠性分析與設(shè)計，并通過水壓爆破試驗進(jìn)行了驗證，最終在大量試驗基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了CFRP壓力容器的可靠性安全系數(shù)。
2009年，路智敏等[1從薄膜理論和網(wǎng)格理論推導(dǎo)出的公式出發(fā)，結(jié)合碳纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器的爆破試驗，分析了CFRP固體火箭發(fā)動機殼體爆破壓強變異系數(shù)和其他參量變異系數(shù)的關(guān)系。同年，路智敏14基于無力矩理論及彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則中的第一強度理論利用可靠性設(shè)計中的二階矩法分別推導(dǎo)出了球形殼體、橢球形封頭、蝶形封頭及錐形殼體的可靠度表達(dá)式。2019年，林峰等[1在考慮復(fù)合材料回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中各參數(shù)和載荷隨機性的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件以某航天用壓力容器為算例建立了該結(jié)構(gòu)的可靠性分析模型，實現(xiàn)了該復(fù)合材料回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的隨機可靠性預(yù)測分析和優(yōu)化設(shè)計。
羅惠敏等[1采用JC法可靠度計算方法和第四強度理論，推導(dǎo)了壓力容器橢球封頭和薄壁圓形筒體的可靠度計算公式，并采用ANSYS中蒙特卡洛可靠度計算方法對上述公式的正確性進(jìn)行了驗證。為保證可靠性，采用傳統(tǒng)的安全系數(shù)法設(shè)計發(fā)動機復(fù)合材料殼體時，通常選取較高的安全系數(shù)，使得發(fā)動機殼體的質(zhì)量占據(jù)發(fā)動機消極質(zhì)量的較大比例。為了在保證殼體使用性的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減輕發(fā)動機殼體的質(zhì)量，過去的研究對固體火箭發(fā)動機殼體的可靠性設(shè)計和可靠性分析進(jìn)行了理論研究。
但是，針對固體火箭發(fā)動機復(fù)合材料殼體，未見基于大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計的可靠性分析。本文首先對某復(fù)合材料發(fā)動機殼體的爆破壓強和發(fā)動機最大工作壓強進(jìn)行了梳理統(tǒng)計。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)固體火箭發(fā)動機殼體的可靠性設(shè)計方法，得到了纖維纏繞殼體設(shè)計的概率安全系數(shù)。進(jìn)一步根據(jù)概率安全系數(shù)計算了發(fā)動機殼體設(shè)計的概率安全裕度。本文的結(jié)論是基于試驗結(jié)果統(tǒng)計分析得出的，對固體火箭發(fā)動機復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計具有一定的參考價值。
1發(fā)動機殼體可靠性設(shè)計基本理論
假設(shè)固體火箭發(fā)動機纖維纏繞殼體的性能參數(shù)與發(fā)動機最大工作壓強均服從正態(tài)分布，根據(jù)可靠性理論可知，殼體結(jié)構(gòu)可靠性概率公式可化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。
2可靠性分析及設(shè)計
2.1纖維纏繞殼體可靠性分析
為了研究發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，對某發(fā)動機的試車結(jié)果和其復(fù)合材料殼體內(nèi)壓爆破試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。將統(tǒng)計的殼體內(nèi)壓爆破壓強子樣取平均值，并將各子樣除以平均值以進(jìn)行歸一化，采用同樣的方法處理發(fā)動機最大工作壓強。
材料工程評職知識：復(fù)合材料科學(xué)與工程期刊是網(wǎng)絡(luò)首發(fā)嗎
3結(jié)論
(1)相對于采用傳統(tǒng)安全系數(shù)法設(shè)計的發(fā)動機而言，采用概率安全系數(shù)法設(shè)計的發(fā)動機，其消極質(zhì)量較低，殼體筒段質(zhì)量能夠減輕.46以上;(2)通過可靠性設(shè)計獲得殼體結(jié)構(gòu)可靠性概率在0.999~0.99999999范圍內(nèi)的概率安全系數(shù)為1.1261~1.232;(3)殼體采用概率安全系數(shù)設(shè)計的概率安全裕度較實測安全裕度降低了38.3以上可靠性概率為0.999~0.99999999。采用傳統(tǒng)的安全系數(shù)法設(shè)計使得發(fā)動機的可靠性較高，但同時伴隨較多的消極質(zhì)量。建議根據(jù)實際使用、設(shè)計、生產(chǎn)具體過程，在充分考慮外載荷、藥柱完整性等具體設(shè)計需求和影響因素的基礎(chǔ)上，可謹(jǐn)慎地適當(dāng)?shù)亟档桶l(fā)動機殼體的安全系數(shù)。
參考文獻(xiàn)：
[1]黃世榮.固體火箭發(fā)動機圓柱殼體的可靠性設(shè)計[J].推進(jìn)技術(shù)，1992，13(1)：3237.HUANGShirong.Reliabilitydesignofcylindricalcaseofsolidrocketengine[J].JournalofPropulsionTechnology，1992，13(1)：3237.
[2]張駿華.結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計設(shè)計與分析[M].北京：宇航出版社，1989.
[3]任國周.固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)可靠性計算方法分析[J].推進(jìn)技術(shù)，1995，16(1)：4146.RENGuozhou.nalysisofcalculatingmethodsforstructuralreliabilityinsolidrocketmotors[J].JournalofPropulsionTechnology，1995，16(1)：4146.華守廉.航天結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].上海航天，1993：HUAShoulian.Statusanddevelopmentofreliabilitydesignforaerospacestructures[J].ShanghaiAerospace，1993：3641.
[4]馮連勝.固體火箭發(fā)動機金屬殼體的結(jié)構(gòu)可靠性[J].推進(jìn)技術(shù)，1986，7(5)：2831.FENGLiansheng,Structuralreliabilityofmetalshellofsolidrocketmotor[J].JournalofPropulsionTechnology，1986，7(5)：2831.王松柏.固體火箭發(fā)動機殼體結(jié)構(gòu)的動態(tài)可靠性設(shè)計[J].固體火箭技術(shù)，1988：5460.
作者：王瑩，張愛華，李侃
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