键连接火箭发动机结构强度分析与优化设计

键连接火箭发动机结构强度分析与优化设计

1 选题来源与选题依据

导弹武器系统因结构复杂、生产周期长、价格昂贵、长期储存和一次使用，且作为近期和将来相当长一段时期的主要核威慑力量和常规扫一击力量，直接关系到国家的安危和局部战争的胜利。火箭发动机是导弹武器的动力核心，而采用键连接的火箭发动机结构是常规导弹中最为常见的结构之一，键连接火箭发动机的结构强度设计是否合理将直接影响导弹武器系统的实用性与可靠性，因此，对此开展研究非常必要。

键连接也称之为花键连接，是由轴和轮毂孔上的多个键齿和键槽组成。键齿侧面是工作面，利用键齿侧面的挤压来传递转矩。键连接具有较高的承载能力，定心精度高，导向性能好，可实现静态链接或动态链接，因此在航空、航天、轮船、汽车等机械领域得到广泛的应用。键连接已经形成标准化结构，目前常采用的是矩形花键和渐开线花键两种。在火箭发动机中，常采用的连接件以渐开线花键为主，主要是渐开线花键相比矩形花键具有更优异的承载能力、安装精度及刚度，因此适合火箭发动机的工作环境。

根据火箭与导弹的试验及使用情况来看，发动机故障是导致其失效乃至灾难性事故的最主要原因之一。20世纪60年代中期，美国航空喷气公司固体发动机试验的故障统计显示，键连接导致的密封故障占14.9%。国内于1969-1984年对7种型号固体发动机的50次试验故障部位统计表明，键连接导致的密封故障占18%。此外，据我国导弹武器延寿的成果和国内外导弹存贮试验的经验，火箭发动机在长期存贮过程中，下述两个问题最为突出：非金属密封件老化与连接件蠕变造成的应力松弛。从上面的统计数据可以看出，火箭发动机的连接密封结构在发动机故障中占了很大的比例。

目前对键连接火箭发动机结构受力与变形及结构优化的相关研究还很少，因此，本文将深入研究采用键连接的火箭发动机结构部件的强度分析及优化设计。 2 主要研究内容

本文的主要研究内容主要包含以下几点：

（1）通过查找相关资料，掌握采用键连接的火箭发动机结构的应用环境及受力状况，分析常见的渐开线花键火箭发动机连接件的结构形式，利用三维建模

软件Proe搭接火箭发动机的键连接结构模型，用于后续强度分析与优化设计；

（2）采用ANSYS有限元分析软件计算火箭发动机键连接结构模型的受力与变形情况。使用ANSYS Workbench中的静力学分析模块对Proe搭建的火箭发动机键连接模型进行预处理与强度分析，求解键连接结构的受力状况。

（3）利用ANSYS有限元软件自带的基于目标函数的一阶优化算法对键连接结构进行优化设计。采用优化算法计算键连接结构的强度与结构厚度、尺寸、应力、变形之间的关系，设计出最合理的键连接结构模型。

（4）通过上述键连接结构的有限元仿真与优化设计，提出最合理的键连接火箭发动机设计方案，为提高键连接火箭发动机的强度与可靠性，为设计、存储导弹提供理论参考。 3 实验设计 3.1 实验工具

本文采用ANSYS有限元软件对键连接火箭发动机的连接件进行强度分析与优化设计。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer， NASTRAN，SolidWorks，I－DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

ANSYS提供的分析类型有结构静力分析、结构动力分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、和压电分析。软件主要包括三部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便的构造有限元模型；分析计算模块对前处理所创建的模型进行各种计算；后处理模块将计算结果以各种方式显示出来。

本文拟采用ANSYS Workbench进行强度计算与优化设计，Workbench是ANSYS软件的一个协同仿真环境，就像一个大平台，将各种分析软件以模块的的形式集成在面板上，然后如同搭积木一样根据分析需要搭建分析项目。Workbench的界面很人性化，不需要花很多时间来学习软件，很容易上手，非常适用于工程使用。由于Workbench集成了很多软件，因此可利用Workbench进行多种分析。Workbench的建模工具是DesignModerler，分析工具DesignXplorer，

而且有专门的后处理模块。

3.2 实验方法

本文将采用ANSYS Workbench对键连接火箭发动机连接件结构进行强度分析与优化设计。具体仿真方法如下：

（1）前处理。按照相关资料，针对某一型号的火箭发动机键连接结构，利用Proe三维建模软件构建连接件的三维模型，然后将模型导入到ANSYS Workbench的Model中进行模型前处理。前处理的内容主要是网格划分、定义材料属性、设置边界条件、设置求解器等。其中模型的网格划分是影响计算精度的关键因素之一，对于三维模型而言，常采用的网格划分方法有自动网格划分法（Automatic）、四面体网格划分法（Tetrahedrons）、扫掠法（Swept Meshing）、Hex Dominate法、Inflation法等，根据模型的主体结构复杂度，本文拟采用Tetrahedrons法划分有限元模型网格。

（2）计算。设置求解器参数后即可点击运算，ANSYS Workbench集成了多种求解器，对于强度计算而言，采用稳态计算模式下的直接求解器即可。

（3）后处理。后处理主要是利用ANSYS Workbench自带的计算结果显示与处理工具对计算结果进行二次处理，从而形成可观性好的计算结果。

（4）优化设计。根据计算结果设置目标函数，通过计算求解优化设计结构。 4 预期结果

预期结果如下：

（1）通过查找相关文献，确定研究的某一型号火箭发动机的键连接结构，利用Proe三维软件构建出有限元模型；

（2）利用ANSYS Workbench计算出键连接结构的受力与变形情况，得到键连接火箭发动机结构的强度分析结果；

（3）通过设计目标函数，得到优化设计的键连接火箭发动机结构。 （4）根据仿真模拟结果，完成硕士毕业论文。 5 参考文献

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