基于ABAQUS的复杂载荷下大长径比发动机壳体力学特性分析

摘要：大长径比发动机壳体的力学性能要求严苛，在设计和应用中需着重分析。本文基于ABAQUS软件开展了有限元仿真计算和分析。结果表明：在考虑内外压载荷下，外压对发动机壳体筒段有明显的支撑作用，可以有效减轻发动机壳体的整体变形；复杂载荷条件下，较小的侧向载荷能可以增大壳体的强度余量，随着Y向载荷的增大，应力应变会显著增大。

关键词：发动机；壳体；长径比；ABAQUS；力学特性；

0 引言

固体火箭发动机的燃烧室壳体在飞行中会承受内压、外压、弯矩等载荷的联合影响，壳体的力学性能在发动机的设计和使用中必须着重考虑[1][2]。随着发动机技术的提升，发动机燃烧室壳体越做越薄，有效提升了发动机的质量比，进而使飞行器的性能得到提升[3]。并且随着增材制造技术的发展，可以实现较大的发动机长径比，以满足愈发严苛的发动机尺寸包络和性能指标要求，然而这种大长径比的轻薄壳体的力学性能要求非常高。

任萍等[3][4]开展了外压条件下轻薄壳体的屈曲分析，通过数值计算和试验验证，得到了不同条件下壳体的失稳载荷和屈曲波形。冯彬彬等[5]对大长径比复材壳体的减重设计开展工作，通过仿真计算构建壳体模型，并试验验证了不同材料的补强性能，但目前还缺乏对复杂载荷下的大长径比壳体的力学特性研究。

在各种研究方法中，试验分析成本高且载荷难以加载，理论求解方法模型异常复杂，难以得到解析解，而数值模拟方法成本低，求解效率高，因此，采用数值方法进行研究是十分有效的手段[5]。本文采用数值模拟方法对复杂载荷下大长径比的发动机壳体进行研究，建立了壳体的三维有限元模型并进行ABAQUS计算和分析，得到大长径比壳体的力学特性，对发动机壳体的设计改进具有重要意义。

1 计算模型

发动机壳体计算采用的发动机燃烧室壳体分别由筒段、前裙、后裙、前顶盖、后顶盖组成，筒段、前裙和后裙采用TA15钛合金SLM打印一体成型。壳体长度2000mm，直径270mm，厚度2.1mm，长径比7.4。三维有限元计算基于ABAQUS软件开展，TA15钛合金材料本构关系采用双线性模型。

三维模型边界条件设置中发动机壳体前裙采用自由边界，后裙施加固定约束以防止模型的刚性位移，前、后顶盖刚性绑定，计算时无相对位移。计算中加载了三种载荷，分别是壳体内压Pin，壳体外压Pout以及壳体前裙的Y向载荷Pb。

2复杂载荷下力学特性分析

2.1 内外压下仿真结果与分析

计算内外压强下大长径比发动机壳体的强度变化，壳体内部均布了12MPa压强，外压加载量分别为0、2、4、6和8MPa，壳体的最大主应力、主应变、X向位移和Y向位移随外压的变化情况如下图1所示。如下图所示，随着外压载荷的增大，壳体的最大主应力和主应变均逐渐增大，但主应变的增大速率呈减少趋势，应变呈增大趋势。X向和Y向的位移都先减小后增加，但两向的最小位移出现位置不同，X向位移最低点出现在4MPa处，Y向位移的最低点出现在6MPa处，这说明一定程度的外压可以有效减轻发动机壳体的整体变形，这对发动机使用中的尺寸包络控制是有益的。

2.2 复杂载荷下仿真结果与分析

对内、外压和前裙Y向载荷共同作用下的大长径比发动机壳体力学性能展开计算分析，结果如图2（a）所示，Y向载荷从0增加到0.5MPa，在壳体同时有内外压的载荷下，最大主应变有轻微的降低，当只有内压而无外压时，最大主应变有较明显的增大；随着Y向载荷从0.5增至1MPa，壳体在有无外压的情况下，应力都有明显的增大：随着Y向载荷的进一步增大，壳体应力很快过屈服点，各外压下壳体的应力增长速率均显著减小。

壳体的应变曲线如图2（b）所示，Y向载荷从0增加到0.5MPa，有外压载荷情况下，壳体最大主应变均出现了一定的减小，但无外压载荷的壳体应变有小幅度的增长；随着Y向载荷从0.5增至1MPa，外压为0、2和4MPa，应变增长较为明显，外压为6MPa时的应变增长较小，然而8MPa时壳体应变出现了降低。Y向载荷从1增至2MPa，壳体最大主应变都迅速增大。另外，外压为0和0.5MPa的应变变化曲线差异较小，说明壳体承受较小的外压，对壳体形状变化的影响并不显著。

3 结语

本文通过ABAQUS有限元计算研究了大长径比发动机壳体在复杂载荷下的力学特性，主要结论如下：在考虑内外压载荷下，外压对壳体筒段有明显的支撑作用，并且一定程度的外压可以有效减轻壳体的变形，这对发动机使用中的尺寸包络控制是有益的。复杂载荷条件下，较小的Y向载荷会一定程度降低壳体的最大应力应变，随着Y向载荷的进一步增大，应力应变会显著增大。

参考文献

[1]耿发贵，安自朝，何坤，康健，张鹏坤，刘腾跃，肖航.基于ABAQUS的固体火箭发动机壳体外压屈曲分析[J].现代防御技术，2024，52（1）：139-146.

[2]王健儒，王莹，刘凯，敖麟，檀叶，张爱华.固体火箭发动机复合材料燃烧室外压稳定性研究[J].固体火箭技术，2023，46（6）：923-929.

[3]任萍，侯晓，何高让，姚东.固体火箭发动机燃烧室外压稳定性[J].推进技术，2010，31（5）：529-532.

[4]任萍，侯晓，何高让，姚东.外压载荷分布形式对固体火箭发动机结构稳定性的影响[J].强度与环境，2011，38（2）：13-17.

[5]冯彬彬，袁金，胡旭辉，张雄军，陆金虎.大长径比固体火箭发动机壳体轻量化设计[J].复合材料科学与工程，2021，5：43-48.