固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法，屬于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)領(lǐng)域。包括以下步驟：1)確定固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)；2)確認(rèn)密封圈的預(yù)緊壓縮變形量；3)確定出固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高壓工作時(shí)氣壓差；4)確定密封圈在預(yù)緊狀態(tài)下的變形率；5)求解密封圈殘余變形率；6)求解密封圈殘余應(yīng)力。本方法建立在橡膠密封圈的穆尼—瑞林(Mooney?Rivlin)模型，螺紋連接簡(jiǎn)化模型和氣壓差作用模型的基礎(chǔ)上，由已知的密封圈預(yù)緊壓縮量和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外氣壓差確定出高壓作用下密封圈殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在高壓作用下密封圈泄漏率的確定，為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝的改進(jìn)提供理論支撐。
【專利說(shuō)明】
固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓 下殘余應(yīng)力確定方法，特別是一種通過(guò)預(yù)緊應(yīng)力和氣壓差間接確定固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈 在高壓條件下的殘余應(yīng)力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SRM)是導(dǎo)彈和航天火箭的重要組件，它的研究工作與航天安全 息息相關(guān)。固體火箭在裝配過(guò)程中，有密封性能要求。其密封性能對(duì)固體火箭能否安全工 作，具有重要意義。固體火箭工作時(shí)，若密封圈發(fā)生泄漏，將造成噴出的氣體壓力分布不均 勻，固體火箭受力不平衡;同時(shí)高溫氣體流入固體火箭內(nèi)部，存在嚴(yán)重的安全隱患。
[0003] 目前對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝配確保滿足密封要求的指標(biāo)主要是密封圈的壓縮變形 率，一般要求密封圈壓縮變形率為10%~30%。但通過(guò)密封圈的壓縮變形率來(lái)確保固體火 箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝配滿足密封要求屬于間接方式，不能很精確的描述密封要求。為此，科研人員提 出了 W密封圈泄漏率為密封性能指標(biāo)的裝配工藝。W密封圈泄漏率為密封性能指標(biāo)來(lái)描述 密封屬于直接方式，能更加精確的描述密封要求。
[0004] 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的橡膠密封圈密封屬于靜密封中墊片密封。在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí) 際工作的工程中，既有界面泄漏，又有滲透泄漏，泄漏通道中不僅有層流流動(dòng)還有分子流流 動(dòng)，故多孔介質(zhì)模型更好地描述了墊片密封的泄漏情況。
[0005] 多孔介質(zhì)模型認(rèn)為非金屬墊片材料可近似看作各向同性的多孔介質(zhì)，其流道由多 個(gè)彎曲的半徑大小不等的毛細(xì)管組成。氣體通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)可分為層流和分子 流，其流率為層流流率和分子流流率之和。研究表明毛細(xì)管半徑r隨墊片殘余應(yīng)力σ的增大 而減少，存在r = f(〇-〇的關(guān)系。氣體通過(guò)墊片的泄漏率方程為：
[0006]
[0007] 式中，41人、化、〇。為常數(shù)，其值可由實(shí)驗(yàn)得到山巾為口￥泄漏率，口。=化斗1)/2，1為 氣體分子量，η為介質(zhì)粘度，T為氣體絕對(duì)溫度。
[000引泄漏率與密封圈殘余應(yīng)力、固體火箭內(nèi)外氣壓差和氣體溫度有關(guān)。密封圈殘余應(yīng) 力的確定是研究固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能的必要條件，但密封圈殘余應(yīng)力很難直接檢測(cè)得 到，運(yùn)是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能研究的一個(gè)難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確 定方法，該方法建立在橡膠密封圈的穆尼一瑞林(Mooney-化vlin)模型，螺紋連接簡(jiǎn)化模型 和氣壓差作用模型的基礎(chǔ)上，由已知的密封圈預(yù)緊壓縮量和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外氣壓差確 定出高壓作用下密封圈殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在高壓作用下密封圈泄漏率的確 定，為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝的改進(jìn)提供理論支撐。
[0010] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0011] -種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法，該方法包括W下步驟：
[0012] 1)確定固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所用橡膠密封圈穆尼一瑞林(Mooney-Rivlin)模型，殼體 與噴管螺紋連接模型和氣壓差作用模型的相關(guān)參數(shù)；
[0013] 2) W固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)梓緊機(jī)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝配，確定出梓緊裝配完成 后，密封圈的壓縮變形量；
[0014] 3)確定出固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高壓工作時(shí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外氣壓差；
[0015] 4)將步驟2)中得到的密封圈壓縮變形量帶入變形率計(jì)算公式，得固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 密封圈在預(yù)緊狀態(tài)下的變形率；
[0016] 5)將步驟1)中模型參數(shù)、步驟3)中內(nèi)外氣壓差和步驟4)中密封圈預(yù)緊變形率帶入 密封圈殘余變形率、預(yù)緊變形率和氣壓差關(guān)系式;求解關(guān)系式，可得在已知密封圈預(yù)緊變形 率和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氣壓差情況下的密封圈殘余變形率；
[0017] 6) W步驟5)所得密封圈殘余變形率為已知條件，帶入橡膠穆尼一瑞林(Mooney- Rivlin) 模型，可得密封圈殘余變形率所對(duì)應(yīng)的密封圈殘余應(yīng)力。
[0018] 進(jìn)一步，在步驟1)中，所述橡膠密封圈穆尼一瑞林(Mooney-Rivlin)模型為：
[0019]
其中：0為殘余應(yīng)力，e為密封圈的壓縮變形率，Cl，C2為橡 膠穆尼一瑞林(Mooney-Rivlin)模型中力學(xué)性能常數(shù)。
[0020] 進(jìn)一步，在步驟1)中，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體與噴管螺紋連接簡(jiǎn)化模型為：
[0021]
[0022] 其中：δ為殼體與噴管螺紋連接受力時(shí)的螺紋變形量；
[0023] C為螺紋連接簡(jiǎn)化模型剛度，且有關(guān)系式：
[0034] 其中：Ea為殼體材料的彈性模量;Eb為噴管材料的彈性模量;Li為殼體螺紋部分長(zhǎng) 度;L2為噴管螺紋部分長(zhǎng)度;di為外螺紋外徑;d2為外螺紋中徑;(k為殼體外徑;ds為噴管內(nèi) 徑;Η為螺紋原始的Ξ角形高度。
[0035] 進(jìn)一步，在步驟1)中，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氣壓差作用模型為：
[0036] q3A3= ΔΡΑ3 = (Ρ2-Ρι)Α3
[0037] 其中：Pi為固體火箭外部氣壓;Ρ2為固體火箭內(nèi)部氣壓;Α3為氣壓差對(duì)殼體的作用 面積。
[0038] 進(jìn)一步，在步驟2)中，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完成時(shí)橡膠密封圈的預(yù)緊壓縮量基于 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸變化關(guān)系利用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量得到。
[0039] 進(jìn)一步，在步驟4)中，密封圈的壓縮變形率公式為：
[0040]
[0041] 式中：L為密封圈厚度；ε為密封圈受到壓縮時(shí)的軸向應(yīng)變量;e為密封圈的壓縮變 形率。
[0042] 進(jìn)一步，在步驟5)中，密封圈殘余變形率、預(yù)緊變形率和氣壓差關(guān)系式為：
[0043]
[0044] 其中，為密封圈殘余變形率。
[0045] 進(jìn)一步，在步驟6)中，W密封圈殘余變形率為已知條件，帶入的橡膠穆尼一瑞林 (Moon 巧-Rivlin)模型為：
[0046]
[0047] 其中：〇/為殘余應(yīng)力。
[0048] 本發(fā)明的有益效果在于：1)解決了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在高壓條件下密封圈殘余應(yīng)力 難W確定的問(wèn)題，提供了一種通過(guò)密封圈預(yù)緊壓縮量和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氣壓差間接確定密 封圈殘余應(yīng)力的方法;2)建立了密封圈殘余變形率、預(yù)緊變形率和氣壓差關(guān)系式;3)建立了 通過(guò)預(yù)緊壓縮量在一定氣壓差下控制殘余應(yīng)力的方法;4)建立了螺紋連接受力的簡(jiǎn)化模 型，可W方便研究分析。
【附圖說(shuō)明】
[0049] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行 說(shuō)明：
[0050] 圖1為橡膠穆尼一瑞林(Mooney-Rivlin)模型曲線圖；
[0051] 圖2為密封圈殘余變形率、預(yù)緊變形率和氣壓差關(guān)系曲面圖；
[0052] 圖3為本發(fā)明所述方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0054] 圖3為本發(fā)明所述方法的流程示意圖，如圖所示，本方法的實(shí)施過(guò)程包括：（1)確定 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)；（2)確認(rèn)密封圈的預(yù)緊壓縮變形量；（3)確定出固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 高壓工作時(shí)氣壓差；（4)確定密封圈在預(yù)緊狀態(tài)下的變形率；（5)求解密封圈殘余變形率； (6)求解密封圈殘余應(yīng)力。
[0055] (1)確定固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)
[0056] 本發(fā)明中所需要確定的模型參數(shù)較多，主要是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)材料參數(shù)W 及橡膠密封圈的結(jié)構(gòu)材料參數(shù)。在本實(shí)施例中，選用某一型號(hào)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及相應(yīng)橡 膠密封圈，具體參數(shù)如下所示：
[0059] (2)確認(rèn)密封圈的預(yù)緊壓縮變形量
[0060] W預(yù)緊壓縮變形量為密封性能指標(biāo)時(shí)，要求預(yù)緊壓縮變形量為密封圈自然厚度的 10%~30%，本例中密封圈自然厚度為1.5mm。故固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在梓緊裝配時(shí)，梓緊至密 封圈的預(yù)緊壓縮變形量為0.2mm。
[0061] (3)確定出固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高壓工作時(shí)氣壓差
[0062] 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)是高壓的環(huán)境，本實(shí)施例中，參考發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的氣缸 壓力，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高壓工作時(shí)的氣壓差選為lOMPa。
[0063] (4)確定密封圈在預(yù)緊狀態(tài)下的變形率
[0064] 將密封圈的預(yù)緊壓縮變形量0.2mm帶入變形率計(jì)算公式：
[00 化]
[0066] 得此時(shí)的預(yù)緊壓縮變形率為86.67 %。
[0067] (5)求解密封圈殘余變形率
[0068] 將預(yù)緊壓縮變形率，氣壓差及相關(guān)參數(shù)，帶入密封圈殘余變形率、預(yù)緊變形率和氣 壓差關(guān)系式：
[0069]
[0070] 關(guān)系式中只有一個(gè)未知數(shù)，解方程，可得=88.91%。
[0071] (6)求解密封圈殘余應(yīng)力。
[0072] 將殘余壓縮變形率〇/帶入橡膠穆尼一瑞林(Mooney-Rivlin)模型：
[0073]
[0074] 可得密封圈殘余應(yīng)力〇/為：1.3859MPa。
[0075] 圖1為本實(shí)施例中橡膠穆尼一瑞林(Mooney-Rivlin)模型曲線圖；圖2為本實(shí)施例 中密封圈殘余變形率、預(yù)緊變形率和氣壓差關(guān)系曲面圖。
[0076]最后說(shuō)明的是，W上優(yōu)選實(shí)施例僅用W說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通 過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可W在 形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法，其特征在于:該方法包括以 下步驟： 1) 確定固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所用橡膠密封圈穆尼一瑞林(Mooney-Rivlin)模型，殼體與噴 管螺紋連接模型和氣壓差作用模型的相關(guān)參數(shù)； 2) 以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊機(jī)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝配，確定出擰緊裝配完成后，密 封圈的壓縮變形量； 3) 確定出固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高壓工作時(shí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外氣壓差； 4) 將步驟2)中得到的密封圈壓縮變形量帶入變形率計(jì)算公式，得固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封 圈在預(yù)緊狀態(tài)下的變形率； 5) 將步驟1)中模型參數(shù)、步驟3)中內(nèi)外氣壓差和步驟4)中密封圈預(yù)緊變形率帶入密封 圈殘余變形率、預(yù)緊變形率和氣壓差關(guān)系式;求解關(guān)系式，可得在已知密封圈預(yù)緊變形率和 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氣壓差情況下的密封圈殘余變形率； 6) 以步驟5)所得密封圈殘余變形率為已知條件，帶入橡膠穆尼一瑞林（Mooney-Rivlin) 模型 ，可得密封圈殘余變形率所對(duì)應(yīng)的密封圈殘余應(yīng)力。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法，其特 征在于:在步驟1)中，所述橡膠密封圈穆尼一瑞林(Mooney-Rivlin)模型為：其中：σ為殘余應(yīng)力，e為密封圈的壓縮變形率，Ci，C2為橡膠穆 5 尼一瑞林(Mooney-Rivlin)模型中力學(xué)性能常數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法，其特 征在于:在步驟1)中，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體與噴管螺紋連接簡(jiǎn)化模型為：其中：S為殼體與噴管螺紋連接受力時(shí)的螺紋變形量； C為螺紋連接簡(jiǎn)化模型剛度，且有關(guān)系式：殼體剛度匕的計(jì)算公式為：噴管剛度Cb的計(jì)算公式為：殼體螺紋公稱應(yīng)力截面積Μ:噴管螺紋公稱應(yīng)力截面積Y i:其中：Ea為殼體材料的彈性模量;Eb為噴管材料的彈性模量;U為殼體螺紋部分長(zhǎng)度;L 2 為噴管螺紋部分長(zhǎng)度;di為外螺紋外徑;d2為外螺紋中徑;d4為殼體外徑;d5為噴管內(nèi)徑;Η為 螺紋原始的三角形高度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法，其特 征在于:在步驟1)中，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氣壓差作用模型為： q3A3= A PA3= (P2~Pi)A3 其中:Pi為固體火箭外部氣壓;P2為固體火箭內(nèi)部氣壓;a3為氣壓差對(duì)殼體的作用面積。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法，其特 征在于:在步驟2)中，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完成時(shí)橡膠密封圈的預(yù)緊壓縮量基于固體火箭 發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸變化關(guān)系利用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量得到。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法，其特 征在于:在步驟4)中，密封圈的壓縮變形率公式為：式中:L為密封圈厚度;ε為密封圈受到壓縮時(shí)的軸向應(yīng)變量;e為密封圈的壓縮變形率。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法，其特 征在于:在步驟5)中，密封圈殘佘變形率、預(yù)緊變形率和氣壓差關(guān)系式為：其中，^為密封圈殘余變形率。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈高壓下殘余應(yīng)力確定方法，其特 征在于:在步驟6)中，以密封圈殘余變形率為已知條件，帶入的橡膠穆尼一瑞林(Mooney-Rivlin)模型為：其中為殘余應(yīng)力。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106066905SQ201610355289
【公開(kāi)日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日 公開(kāi)號(hào)201610355289.8, CN 106066905 A, CN 106066905A, CN 201610355289, CN-A-106066905, CN106066905 A, CN106066905A, CN201610355289, CN201610355289.8
【發(fā)明人】林景棟, 林湛丁, 周科, 張婷, 黃錦林, 黃立, 黃立沛
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)