- 研究背景
现代火箭弹在发射过程中，承受着非常大的内压和惯性载荷作用。为使弹体安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的力学性能。同时在火箭增程技术中，研究分析高过载状态下的火箭发动机零部件的强度和结构，对其进行合理的结构设计和优化等问题都具有十分重要的现实意义。
针对于火箭弹结构的分析，弹体结构中具有许多连接螺纹，连接螺纹在弹体发射中的强度问题对保证发射安全具有十分重要的意义。在以前的火箭弹设计中，火箭弹动态特性对弹道性能影响甚微，并且由于受到计算手段的制约，使得对于这些零部件的强度计算过程中的简化和假设并不到位，现在这些因素通过有限元分析软件如ANSYS、I-DEAS、ALGOR等在强度研究中变得非常重要。
对火箭动态特性的研究，理论分析上把火箭弹简化为梁处理，但计算精度较低。有限元模态分析能够确定机械结构的动态特性，即固有频率和振型，固有频率和振型是承受动态载荷的机械结构的重要参数，研究产品的动态性能主要有两种方法：一种是试验模态分析法，另一种是有限元法，所谓有限元法就是将弹性结构离散化为有限数量、有限大小、具有质量、弹性特性的单元，然后在计算机上进行数值分析，最终得到结构的固有频率和振型。这一方法的巨大优点是在结构设计之初，不需要试制样机，根据设计图纸，便可预知产品的动态性能，并可在图纸阶段根据需要改变结构的形状以消除或抑制振动、噪声等不利影响。火箭弹的结构由于它的长径比非常大，结构非常复杂，实际建模过程中很难考虑到所有的细节，在进行有限元分析时，必须先对整个结构作一些合理的简化，否则会引起计算繁琐，耗费机时。简化工作主要是用壳体的假密度模拟子弹群、控制舱的内部结构。这样，既能大大降低模型的复杂度和计算机时，又能保证足够的计算精度[17]。
其中火箭发动机为导弹提供动力，是导弹的重要组成部分。应用有限元分析软件对采用螺纹连接的导弹发动机燃烧室壳体结构进行强度分析，能够大大简化模型，对结构应力分析具有重要意义。
- 研究对象结构分析
- 理论模型简化
针对所要研究的螺纹强度问题，本课题以火箭弹体的部分结构—部分燃烧室和连接螺作为研究对象进行分析。燃烧室为圆筒形，前端通过螺纹和战斗部相连，燃烧室后端通过螺纹和喷管连接。其中承受燃烧室压力的关键部位是燃烧室壳体。燃烧室壳体由前球体、前壳体和后封头组成，前壳体于后封头简化为一体。对于本课题而言，利用其结构、材料、荷载、边界条件等对称性条件，可简化为取原模型四分之一模型来研究，大大简化了分析和计算。
燃烧室的建模过程中，施加在燃烧室壳体上的载荷主要是固体推进剂燃烧产生的高压燃气压力，在强度分析时将燃气温度的影响等效合并到燃气压力的作用上，在其表面施加压力载荷。并且通过在燃烧室和连接内外螺纹之间建立起接触对来模拟相互作用，接触方式为轴对称接触方式。由截面图看出，每对螺牙啮合有四对接触线，分别为接触对1、接触对2、接触对3 和接触对4。若将螺纹按螺旋线展开，每条螺纹就相当于一条悬臂梁，则在几何模型中有四对接触面。分别定义每对接触面为摩擦接触，选定前球体上的螺纹面为目标面，前壳体上的螺纹面为接触面，每对接触面皆由螺纹的起始处到螺纹的终止处，摩擦系数为0. 15[2]。对于边界条件而言，考虑到发动机是通过连接裙与导弹相连，将固定约束施加于连接裙的端面处。根据设计和试验测试已知火箭弹发射时的加速度、质量、燃气内压等, 这样就可以把火箭弹发射中的强度问题等效为整个结构在燃气压力和惯性载荷作用下的平衡问题。本课题研究采用了载荷增量法来求解非线性方程组，载荷增量法即将整个载荷分成许多小的载荷步或增量。在每个载荷水平上使用Newton-Raphson迭代，迭代次数取决于载荷增量数目和收敛误差情况[12]。
- 螺纹连接强度影响因素
然而对于燃烧室壳体结构而言，螺纹连接结构简单紧凑、适用范围广、制造简单、连接可靠，能快速装配分解，是壳体上应用较多的一种连接结构。发动机工作时，金属燃烧室壳体内腔承受压力载荷影响，螺纹连接结构承受拉应力作用。由于加工误差会造成火箭弹燃烧室和连接螺间的内外螺纹的牙型与设计情况存在一定出入，所以研究与螺纹有关的各种因素对确定弹体发射时连接螺纹间的强度及这批火箭弹能否正常使用十分关键。
螺纹作为零部件连接和紧固的主要方式，在设计中应用广泛。螺纹零件使用时由螺纹牙作为主要的承载部位，其承载能力直接关系到结构的稳定和可靠。在实际应用中，螺纹常因弯曲、挤压和剪切等作用出现失效。为解决螺纹连接失效的问题，利用螺纹强度计算公式和实例数据分析了影响螺纹强度的因素，发现螺距和螺纹误差对螺纹强度影响显著。结果表明： 1]螺距对螺纹强度影响较为敏感。在圈数足够多时，一般对于螺纹连接，当连接长度达到一定条件时，受冲击时实际有效扣数不会随啮合长度线性增长，此时采用大螺距或许更有利于提高强度。但是，一般情况下引信螺纹连接可以实现的有效扣数很少，在此情况下不考虑螺纹制造误差，连接长度一定且有限的情况下，尽可能选用较小螺距有利于提高强度。因此设计时在保证不发生“咬死”的前提下和旋合长度为中等旋合长度时应尽可能选用细牙螺纹甚至是比标准细牙还要小的特殊螺距如0.75。 2]在具体型号产品设计时，如果引信内腔封口连接螺纹强度受尺寸和材料限定难以满足发射和隔爆安全性要求，则在设计时应尽可能减小内、外螺纹端头倒角、在技术要求中尽可能限制崩落长度以及止螺纹环规和止光滑量规的进入量。3]螺纹牙所受弯曲应力恒大于挤压应力，且挤压许用应力恒大于弯曲许用应力，因此在进行强度校核时仅需校核弯曲强度和剪切强度即可[13]。
此外，螺纹连接强度与旋合扣数也有一定的关系。通过对不同旋合扣数下的钢拉杆的进行破断实验，在保证连接接头不破坏情况下，分析比较不同载荷及不同旋合扣数下螺纹牙的应力状态、应力分布、轴向弹塑性变形及各螺纹牙接触面间的压力和滑移变形规律，来得出结构稳定所需最少旋合扣数。这一研究通过最少旋合扣数来体现螺纹连接强度大小，同时充分应用有限元分析得出结论，即当工作载荷一定时，接触压力随旋合扣数的减少而增加，且旋合扣数少的螺纹连接承载圈数较多，应力较大，容易发生剪切破坏[14]。
- 总结
对于本课题的研究，主要从燃烧室的壳体结构及其螺纹连接部分来分析，运用有限元软件ANSYS进行模型简化，对于金属燃烧壳体的结构简化处理，可采用全螺纹模型进行结构强度分析；螺栓螺纹段简化成小径圆柱分析，用于连接定位以及防松的定位销因不影响分析结果可在建模时直接简化忽略。
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