固体发动机药柱结构固化残余应力分析与控制技术

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31083

综述

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固体发动机药柱结构固化残余应力分析与控制技术

于宝石¹^,², 雷勇军¹^,²^,³, 申志彬¹^,², 张大鹏¹^,²()

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.空天任务智能规划与仿真湖南省重点实验室，长沙 410073
^3.火箭军工程大学，西安 710025

收稿日期:2024-08-20 修回日期:2024-09-18 接受日期:2024-10-14 出版日期:2024-10-16 发布日期:2024-10-15
通讯作者: 张大鹏 E-mail:zhangdapeng@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(61671233);国防科技大学空天科学学院青年人才自主研究培育项目

Review on analysis and control technology of curing residual stress in solid motor propellants

Baoshi YU¹^,², Yongjun LEI¹^,²^,³, Zhibin SHEN¹^,², Dapeng ZHANG¹^,²()

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.Hunan Key Laboratory of Intelligent Planning and Simulation for Aerospace Missions，Changsha 410073，China
^3.Rocket Force University of Engineering，Xi’?an 710025，China

Received:2024-08-20 Revised:2024-09-18 Accepted:2024-10-14 Online:2024-10-16 Published:2024-10-15
Contact: Dapeng ZHANG E-mail:zhangdapeng@nudt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61671233);Independent Research and Cultivation Project for Young Talents of College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology

摘要/Abstract

摘要：

固体发动机药柱结构在固化降温过程中会累积一定的残余应力，进而影响其结构完整性，分析药柱结构固化残余应力并探究有效的控制方法，对保证航天运载的可靠性及武器装备的安全性具有重要意义。从药柱结构固化残余应力的产生机理、释放方法、检测技术、反演预测等4个方面的研究进展进行综述，总结了目前考虑药柱固化残余应力的固体发动机结构完整性研究现状与存在的不足，并基于药柱结构固化残余应力形成原因与释放机制提出相应的控制方法及工程应用发展构想。分析认为，结合固化工艺调控与结构构型优化的协同设计方法将有效控制药柱结构的固化残余应力，同时建立标准的测试系统是验证控制方法的关键。

关键词: 固体火箭发动机, 固化残余应力, 结构完整性, 力学性能检测, 工艺设计方法

Abstract:

A certain residual stress will accumulate during the curing and cooling process of Solid Rocket Motor （SRM） grain， which will affect the structural integrity of the SRM. Therefore， it is of great significance to analyze the Cure-induced Residual Stress （CRS） of the propellant grain and explore effective control methods for ensuring the reliability of space vehicles and the safety of weapons and equipment. In this paper， the research progress on the generation mechanism， release method， detection technique and inversion prediction of the CRS of propellant grain is reviewed. This paper summarizes the current status and shortcomings of the structural integrity research of SRM， considering the CRS of propellant grain， as well as the development of its control methods and engineering applications. Based on the formation causes and release mechanism of the CRS and the release mechanisms in propellant grain structures， corresponding control methods and ideas for engineering application development are proposed. The analysis shows that the co-design method combining curing process control and structural configuration optimization can effectively control the CRS of the propellant grain， and establishing a standard test system is the key to validate the control method.

Key words: solid rocket motor, cure-induced residual stress, structural integrity, mechanical properties testing, process design method

中图分类号:

V214.4

于宝石, 雷勇军, 申志彬, 张大鹏. 固体发动机药柱结构固化残余应力分析与控制技术[J]. 航空学报, 2025, 46(8): 31083.

Baoshi YU, Yongjun LEI, Zhibin SHEN, Dapeng ZHANG. Review on analysis and control technology of curing residual stress in solid motor propellants[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(8): 31083.

图/表 9

图 1

表 1

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

研究方法	优点	缺点	参考文献
等效零应力温度的热力耦合有限元模型	模型简单，无需测定推进剂固化相关的物性参数	无法反映装药CRS的形成历程，存在一定的等效折算误差	［22］
固化度相关的弹性-黏弹性分段拼接有限元模型	需要试验测量的材料物性参数较少，适用于工程近似计算	未考虑固化阶段推进剂的黏弹性效应	［23］
固化度相关的固化-降温一体化有限元模型	可适用于整个固化过程，考虑了推进剂黏弹性力学参数随固化度的变化	不能精准计算固化反应的推进剂的体积收缩与反应放热，需开展一定的材料物性参数测定试验	［23］
热-化-力耦合有限元模型	可反映不同推进剂固化反应体积收缩率差异	严重依赖材料物性参数测定试验	［1，3，19］

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固体发动机药柱结构固化残余应力分析与控制技术

Review on analysis and control technology of curing residual stress in solid motor propellants

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