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液氧/煤油火箭發(fā)動機是新型高空發(fā)動機，它是一種無毒、無污染、火藥啟動的高壓補燃發(fā)動機。為進行該型號發(fā)動機的高空環(huán)境模擬試驗，需設(shè)計加工用于模擬高空環(huán)境的試驗裝置—擴壓器。擴壓器是大型結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)強度是保證其結(jié)構(gòu)可靠性最重要的指標，因此其強度校核計算是設(shè)計中的關(guān)鍵工作。然而，以往對擴壓器的強度計算是基于經(jīng)典材料力學和經(jīng)驗公式，不僅其計算精度難以保證，而且較大的強度裕度也造成了生產(chǎn)成本的提高和吊裝難度的增加。本研究利用大型有限元分析軟件ANSYS9.0，對擴壓器的主要部件—筒體進行靜態(tài)強度分析，準確地描述出其應(yīng)力場分布，為擴壓器的設(shè)計加工提供了可靠的理論依據(jù)。
發(fā)動機高空模擬試驗中，選用空氣泄入式擴壓器—在發(fā)動機噴管出口處與發(fā)動機相配，相對于閉式真空艙加擴壓器方案，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。該擴壓器冷卻方式采用了夾層強迫冷卻，冷卻水流向與燃氣方向相反。發(fā)動機噴管外徑為950mm，考慮到間隙調(diào)節(jié)、試驗過程中產(chǎn)生振動等因素，取擴壓器直徑d=1300mm，以便于發(fā)動機噴管與擴壓器的插入對接。擴壓器的長度對擴壓器的性能有一定影響，一般擴壓器的長徑比選取大于5較為合適。最終選取長徑比為6，擴壓器總長7.92m，出口端面超出試車間大門1.4m，既滿足試車要求，又保證出口燃氣不會對試車臺造成影響。擴壓器的外形結(jié)構(gòu)見圖，擴壓器采用與發(fā)動機燃氣流向相反的冷卻水供應(yīng)方式，因為燃氣出口端較進口端溫度要高。冷卻水進口端由三根DN150水管沿切向與集流環(huán)焊接，冷卻水進入后形成旋轉(zhuǎn)水流，冷卻水流動均勻，擴壓器最高點與最低點流量一致。出水口與進水口按角度交錯排列，以減小壓頭損失。擴壓器出口端面由于冷卻水無法達到，設(shè)計中采用外噴淋圓環(huán)加以解決。在內(nèi)筒上均勻布置了108個冷卻通道，每條通道截面積相等以保證流速和流量相等。
ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和藕合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS用戶涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、生物醫(yī)學等眾多領(lǐng)域，并成為這些領(lǐng)域進行國際國內(nèi)分析設(shè)計技術(shù)交流的主要平臺。一個典型的ANSYS分析過程可分為三個步驟：建立模型，加載并求解;查看分析結(jié)果。在有限元分析過程中，第一步是生成能夠恰當描述模型幾何性質(zhì)的有限元模型。通常情況下需要首先建立幾何模型，然后根據(jù)幾何模型生成有限元模型。
擴壓器結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，建立幾何模型時若按照實際物體的幾何結(jié)構(gòu)來建立，不僅建模難大而且增加了計算量，因此在保證計算精度的前提下有必要對其結(jié)構(gòu)進行簡化，以便降低建模難度，節(jié)約工作時間。擴壓器為大型焊接結(jié)構(gòu)件，由不銹鋼板焊接而成，主要包括水管組件、調(diào)整環(huán)、筒體、吊架、冷卻環(huán)、集流環(huán)和加強筋、環(huán)箍和鋼帶等零部件。其中筒體是我們研究的重點，因此省去一些零部件，如：冷卻水進出水管、集流環(huán)、冷卻環(huán)和吊架等，只建立擴壓器筒體的幾何模型。擴壓器筒體為夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為不銹鋼筒，外層由槽形撐和焊片焊接構(gòu)成冷卻通道。夾層冷卻通道簡化為沿圓周上均布的108個柱狀通道，擴壓器筒體的幾何模型見圖。
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