固体火箭发动机金属壳体综合设计技术研究
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摘要
本文系统地研究了固体火箭发动机金属壳体CAD系统的组成，应用面向对象技术和大型有限元分析软件ANSYS的二次开发技术建立开发了固体火箭发动机金属壳体设计、计算与分析系统，较为成功地解决了如下几个关键问题：
1．为固体火箭发动机金属壳体设计提供了一个界面友好、交互性强、通用性好的设计工具与集成化的设计环境，用户可以在该设计环境中完成设计方案的选择、性能要求的确定、各部件的设计及最后的性能计算和分析等金属壳体设计的整个流程，与以往的手工设计和其它设计方法相比，大大提高了设计的效率，而且整个设计结果以单个文件的形式保存，易于管理和查看。
2．该系统集成了目前工程上常用的金属壳体的设计与计算方法，提供了多种金属壳体的结构形式和连接方式，具有很强的实用性。
3．利用图形技术对金属壳体结构进行了平面绘图与三维实体造型显示，系统的可视化程度高。对于质量特性的计算采用了离散积分的方法与发动机结构的图形构造结合起来，从而保证了数据的内在统一性并可以达到较高的计算精度。对壳体结构的构造采用参数化的方法，通过一系列几何参数值来确定结构的具体的形式，参数改变后可以立即重新生成新的图形。
4．对ANSYS进行二次开发，利用ANSYS程序提供的参数化设计语言(APDL)和ANSYS的批处理模式对ANSYS进行封装，编制该CAD软件与ANSYS的接口程序，用户可以在该CAD软件中从后台调用ANSYS核心计算程序进行金属壳体结构分析和绝热层传热分析。
整个系统采用C++Builder5.0作为主要开发环境，运用面向对象的思想将壳体分成各组件，然后通过不同的组件进行组合可以构成不同的壳体结构，这样使得本系统的通用性得到很好的体现，并进一步保证了系统的可扩展性，新结构类型的壳体只需要添加没有的组件就可以了。软件模块的独立性、动态链接性和可维护性都得到很好的体现。
This thesis fully discusses the Solid Rocket Motor (SRM) metal case CAD system. A SRM metal case design, calculation and analysis system is developed by use of Object-Oriented Programming (OOP) technique and powerful finite element analysis software ANSYS. Several key techniques have been solved successfully. The details are as follows:
1. This software provides a user friendly, interactive, general tool and an integration environment for the design of SRM metal case, which has overcome the deficiency of handwork and other methods. By use of this software, the whole design process, such as selecting the design scheme, confirming the performance, designing each part, calculating and analyzing the performance can be fulfilled. The whole design results can be saved as a single file, which is easily managed.
2. The engineering design methods of metal case have been integrated. Many structure configurations and connection types of metal case have been provided. And this software is very practical.
3. Plane and three-dimensional graphics are plotted by use of graphics technique, which makes this software well visualized. The computation of mass properties adopts the discrete integration combined with the graphic construction of the SRM structure, assuring the internal data coherence. The parameter technique is adopted, to plot metal case structure, the graphics is decided by a series of geometric parameters, and new graphics can be repainted immediately.
4. Encapsulate ANSYS to this software by use of the ANSYS batch mode and ANSYS Parametric Design Language (APDL), and develop the interface with this software. Users can transfer the kernel calculation program in the background to analysis mechanics and insulation heat transfer.
The whole system adopts C++Builder5.0 as the main developing environment. The system divides metal case into some basic components by use of OOP, and then comprises different type of metal case by different combination, which demonstrates the universality of this system, also guarantees the extensibility of system. Here only new components are needed for a new type of metal case structure. This module has good independence, dynamic linking and maintainability.
1．为固体火箭发动机金属壳体设计提供了一个界面友好、交互性强、通用性好的设计工具与集成化的设计环境，用户可以在该设计环境中完成设计方案的选择、性能要求的确定、各部件的设计及最后的性能计算和分析等金属壳体设计的整个流程，与以往的手工设计和其它设计方法相比，大大提高了设计的效率，而且整个设计结果以单个文件的形式保存，易于管理和查看。
2．该系统集成了目前工程上常用的金属壳体的设计与计算方法，提供了多种金属壳体的结构形式和连接方式，具有很强的实用性。
3．利用图形技术对金属壳体结构进行了平面绘图与三维实体造型显示，系统的可视化程度高。对于质量特性的计算采用了离散积分的方法与发动机结构的图形构造结合起来，从而保证了数据的内在统一性并可以达到较高的计算精度。对壳体结构的构造采用参数化的方法，通过一系列几何参数值来确定结构的具体的形式，参数改变后可以立即重新生成新的图形。
4．对ANSYS进行二次开发，利用ANSYS程序提供的参数化设计语言(APDL)和ANSYS的批处理模式对ANSYS进行封装，编制该CAD软件与ANSYS的接口程序，用户可以在该CAD软件中从后台调用ANSYS核心计算程序进行金属壳体结构分析和绝热层传热分析。
整个系统采用C++Builder5.0作为主要开发环境，运用面向对象的思想将壳体分成各组件，然后通过不同的组件进行组合可以构成不同的壳体结构，这样使得本系统的通用性得到很好的体现，并进一步保证了系统的可扩展性，新结构类型的壳体只需要添加没有的组件就可以了。软件模块的独立性、动态链接性和可维护性都得到很好的体现。
This thesis fully discusses the Solid Rocket Motor (SRM) metal case CAD system. A SRM metal case design, calculation and analysis system is developed by use of Object-Oriented Programming (OOP) technique and powerful finite element analysis software ANSYS. Several key techniques have been solved successfully. The details are as follows:
1. This software provides a user friendly, interactive, general tool and an integration environment for the design of SRM metal case, which has overcome the deficiency of handwork and other methods. By use of this software, the whole design process, such as selecting the design scheme, confirming the performance, designing each part, calculating and analyzing the performance can be fulfilled. The whole design results can be saved as a single file, which is easily managed.
2. The engineering design methods of metal case have been integrated. Many structure configurations and connection types of metal case have been provided. And this software is very practical.
3. Plane and three-dimensional graphics are plotted by use of graphics technique, which makes this software well visualized. The computation of mass properties adopts the discrete integration combined with the graphic construction of the SRM structure, assuring the internal data coherence. The parameter technique is adopted, to plot metal case structure, the graphics is decided by a series of geometric parameters, and new graphics can be repainted immediately.
4. Encapsulate ANSYS to this software by use of the ANSYS batch mode and ANSYS Parametric Design Language (APDL), and develop the interface with this software. Users can transfer the kernel calculation program in the background to analysis mechanics and insulation heat transfer.
The whole system adopts C++Builder5.0 as the main developing environment. The system divides metal case into some basic components by use of OOP, and then comprises different type of metal case by different combination, which demonstrates the universality of this system, also guarantees the extensibility of system. Here only new components are needed for a new type of metal case structure. This module has good independence, dynamic linking and maintainability.
引文
[1] 高德平．机械工程中的有限元法基础．西北工业大学出版社，1993年10月
刘涛，杨凤鹏等．精通ANSYS．清华大学出版社，2002年9月
[2] 任鹏．PVM环境下的结构并行分解优化设计及ANSYS集成实现技术．广西大学硕士学位论文，2001年4月
[3] 鲍福廷．固体火箭发动机CAD及专家系统研究．西北工业大学博士学位论文，1998年9月
[4] 张振鹏．固体火箭发动机技术辅助设计．北京航空航天大学出版社，1996年7月
[5] 柳有权．发动机总体优化和性能模拟．西北工业大学硕士学位论文，2001年3月
[6] 杨世铭．传热学．高等教育出版社．1997年12月
[7] 王光林，蔡峨等．固体火箭发动机设计．西北工业大学出版社，1994年4月
[8] 蔡体敏．固体火箭发动机工作过程的数值分析．西北工业大学，1991年4月
[9] 陈汝训．固体火箭发动机壳体结构分析与设计．航天四院研究生教材，1998年6月
[10] A·H·固茨(苏)．固体火箭发动机结构强度．宇航出版社，1983年12月
[11] 张标标等．基于ANSYS平台开发曲轴震动分析软件．车辆与动力技术，2001年第4期
[12] 王松柏．耐热烧蚀材料烧蚀和侵蚀速度的计算方法．兵工学报，1996年第4期
[13] 王铮．内绝热层的炭化厚度和设计厚度计算．固体火箭技术，1994年第4期
[14] 孙冰等．固体火箭冲压发动机燃烧室热防护层烧蚀计算．推进技术，2002年第5期
[15] 吕德生等．航天飞行器防热部件烧蚀行为的数值模拟．固体火箭技术，2002年第2期
[16] 杜新，叶定友．固体火箭发动机绝热层烧蚀分析．固体火箭技术，1994年第2期
[17] 李海梅等．平面相变热传导问题等效热容法的有限元解．大连理工大学学报，2000年第1期
[18] ANSYS中国公司．ANSYS热分析指南，2002年
[19] ANSYS中国公司．APDL手册，2002年
[20] 段成红，缪鸿燕．容器与裙座连接处强度的有限元分析．纺织高校基础科学学报，1998年第2期
[21] 龚曙光．ANSYS软件在应力分析设计中的应用．应用写真，2001年第7期
[22] 唐兴伦等．ANSYS工程应用教程．中国铁道出版社，2003年1月
[23] 张鸿寿．固体火箭发动机原理与设计．航天科技集团公司四院四十一所，1999年
[24] 赵锡良．惯性性能计算方法．航天科技报告，1990年
[25] 何国强．绝热层烧蚀性能的理论预示．推进技术，1990年第8期
[26] 刘金，常泊浚等．固体火箭发动机方案集成设计方法研究．推进技术，1995年第1期
[27] Billheimer. Optimization and Design Simulation in Solid Rocket Design. AIAA Paper No.68-488
[28] James Brill Clegern. Solid Rocket Motor Conceptual Design: The Development of a Design Optimization Expert System with a Hypertext User Interface. AIAA Paper No.93-2318
[29] 贾志刚．精通OpenGL．电子工业出版社，1998年3月
[30] 马小虎等．基于凹凸顶点判定的简单多边形Delaunay三角剖分．计算机辅助设计与图形学学报，1999年第1期
[31] 李宜敏等．固体火箭发动机原理．北京航空航天出版社，1991年12月
[32] 班大松．火箭发动机．空军地空导弹学院，1984年5月
[33] 苟文选．材料力学．西北工业大学出版社，2001年5月
[34] 夸克工作室．有限元分析基础篇ANSYS与Mathematica．清华大学出版社，2002年2月
[35] 蔡青等．CAD/CAM系统的可视化集成化智能化网络化．西北工业大学出版社，1996年11月
[36] 何洪庆，严红．EPDM的烧蚀模型．推进技术，199年第4期
[37] 田立平．含有相变传热问题的数学化处理．工业加热，1996年第6期
[38] 杨军，李锋．基于APDL语言模块的结构优化设计．建筑技术开发，2003年第4期
[39] 任新见等．结构优化的APDL语言面向对象程序设计．四川建筑科学研究，2003年3月
[40] 马国富，于恒山．燃气发生器绝热层研制．推进技术，1998年10月
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[2] 任鹏．PVM环境下的结构并行分解优化设计及ANSYS集成实现技术．广西大学硕士学位论文，2001年4月
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[16] 杜新，叶定友．固体火箭发动机绝热层烧蚀分析．固体火箭技术，1994年第2期
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[28] James Brill Clegern. Solid Rocket Motor Conceptual Design: The Development of a Design Optimization Expert System with a Hypertext User Interface. AIAA Paper No.93-2318
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[37] 田立平．含有相变传热问题的数学化处理．工业加热，1996年第6期
[38] 杨军，李锋．基于APDL语言模块的结构优化设计．建筑技术开发，2003年第4期
[39] 任新见等．结构优化的APDL语言面向对象程序设计．四川建筑科学研究，2003年3月
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