【摘 要】
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固体火箭发动机具有结构简单、工作可靠性高、使用方便且易于存储的特点,是目前火箭、导弹等航空航天飞行器常用的动力装置。固体火箭发动机的推重比的提升对进一步提升航空航天器的运载能力以及战略战术武器的机动性能和有效射程具有重要意义,因此占据固体火箭发动机较大消极质量的复合材料壳体需要具备较高的特性系数（PV/W）。复合材料壳体的精确的强度分析是准确预测其爆破压力和特性系数以及开展优化设计的关键。作为典型
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固体火箭发动机具有结构简单、工作可靠性高、使用方便且易于存储的特点,是目前火箭、导弹等航空航天飞行器常用的动力装置。固体火箭发动机的推重比的提升对进一步提升航空航天器的运载能力以及战略战术武器的机动性能和有效射程具有重要意义,因此占据固体火箭发动机较大消极质量的复合材料壳体需要具备较高的特性系数（PV/W）。复合材料壳体的精确的强度分析是准确预测其爆破压力和特性系数以及开展优化设计的关键。作为典型的纤维缠绕成型制品,复合材料壳体的结构与材料在成型时同时形成,缠绕层的属性随缠绕参数的调整发生改变,因此研究基于精细化建模的复合材料壳体强度分析方法具有重要意义。本文基于缠绕成型基本原理和非线性有限单元法建立了复合材料壳体的强度分析方法并完成了相关软件的设计,具体研究内容和成果为:（1）对纤维缠绕的线型和缠绕基本参数进行研究,重点对螺旋缠绕方式展开分析,基于微分几何理论建立了非测地线缠绕数学模型。基于纤维缠绕工艺基本原理,采用三次样条函数法建立了缠绕层厚度预测方法;采用连分数方法建立了不等极孔缠绕线型的优化设计流程实现缠绕层的角度预测。分析了不同切点数和纤维纱宽对模型缠绕层角度和厚度的影响,进一步验证了精细化建模的必要性。（2）基于薄壳理论构造了截锥壳单元,结合von Kármán非线性应变位移关系推导复合材料壳体的大变形有限元方程。采用载荷增量法和Newton-Raphson迭代法建立了非线性方程组的求解格式,对直径150mm的复合材料壳体进行了强度分析,与商业有限元软件Abaqus计算结果相比最大误差在10%以内。（3）采用Qt程序开发框架搭建了强度分析软件的框架,根据软件开发内容对各功能窗口进行界面设计。对软件需求数据进行分析,基于XML文档实现了软件的模型库和材料数据库功能。采用Open GL和QChart类开发了软件的可视化功能,实现了网格绘制、线型静态仿真、有限元结果显示以及曲线绘制功能。（4）采用开发的强度分析软件对直径300mm的固体火箭发动机复合材料壳体进行结构设计和强度分析,爆破压力预测值为20.25MPa。采用湿法缠绕成型工艺制备复合材料壳体并进行水压爆破试验,结果为19.23MPa,预测值与试验值误差为5.3%,由此验证了强度分析软件的计算精度。
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