第32卷第10期 2011年10月
焊接学报
TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION
Vol.32No.10
October
液体火箭发动机推力室钰焊过程热固耦合分析
许艺峰，张德禹？，徐学军？，鲍福廷
（1.西北工业大学航天学院，西安710072：2.西安航天动力研究所，西安
710100）
摘要：在考虑热电偶对真空炉加热分区电功率闭环控制的基础上，建立了液体火箭发动机推力室舒焊过程仿真计算的有限元模型，基于热固弱耦合方法，对推力室焊过程中的瞬态温度场和应力一应变分布进行了分析，确定了推力室在钎焊过程中热电偶所测温度与室壁温度的温差范围，得出了室壁温度的分布规律，应力一应变分布表明喉部内壁在焊接过程中易出现受压失稳，分析结论为改进钎焊工艺方案及探究室壁裙皱形成的深层次原因提供了理论基础，提出了工艺改进方案，并通过了试验验证，结果显示钎焊过程中推力室的褶皱现象得到有效控制
关键词：液体火箭发动机：推力室：热固耦合；失稳
中图分类号：TC404 0序言
文献标识码：A
文章编号：0253-360X(2011)10-0093-04
许艺峰
2011
在某型号液体火箭发动机推力室身部钎焊过程中，发现喉部附近经常出现局部翟皱（或鼓包）现
液体火箭发动机推力室工作温度高（4000~ 6000℃），必须对室壁采取有效的冷却措施，目前大推力液体火箭发动机推力室主要采用再生冷却，即液体推进剂以一定流速通过推力室内外壁间的冷却通道，吸收带走高温燃气传到壁内的热量推力室壁结构通常采用在内外壁之间加入波纹板或采用在内壁外表面铣槽加工出冷却通道与喷管外壁钎焊成形等加工方法，无论采用哪种方法都需要对内外壁进行组合钎焊[2,3]
钎焊是一种高温下利用可熔化的钎料把母材连接起来的工艺过程，推力室钎焊前首先将钎料用电阻点焊的方法固定在内外壁的待钎焊表面，然后进行内外壁、波纹板的焊接装配，形成整体的待钎焊件，舒焊过程中推力室夹层抽真空，推力室在钎焊过程中最高温度可达1100℃，推力室壁受热膨胀，由于内外壁、波纹板多层结构为一整体，受内外壁材料物性参数差异，以及壁温分布不均及工装约束等因素影响，使得自由热膨胀受阻，产生了热应力，室壁结构变形又影响了室壁与加热片之间的辐射换热，所以推力室钎焊过程是一个复杂的热固耦合过程，钎焊过程中的温度分布、焊接结构的刚度比、工艺流程、支撑刚度和摩擦系数等微小变化都会影响
产品的焊接质量，收稿日期：2010-03-09
万方数据
象，造成较高的产品报废率，经过对钰焊过程进行跟踪，发现喉部褶皱主要出现在钎焊从室温到500 ℃的低温升温过程中因此，文中以推力室钎身及真空钎焊炉为研究对象，基于热固弱耦合方法，研究钎焊过程中低温升温过程的热变形和热应力的变化过程，研究工艺过程中微小的影响因素，为研究室壁褶皱形成的深层次原因提供理论基础，并对推力室钎焊工艺方法提出改进措施，控制钎焊过程中推力室出现褶皱现象，对型号研制有重要意义，
热固耦合基本理论 1
1.1热分析基本方程及边界条件
假设推力室壁和热电偶为各向同性材料，其二维、无热源、瞬态导热方程为
最(a)+()-
oaT e ad=(re
(1)
式中：T为温度：入为导热系数，其值随温度变化；c 为比热容：p为材料密度：为时间同样假设加热片为各向同性材料.其二维、有热源、瞬态导热方程为
()+最()+=0%
=pe at
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式中：Φ为电加热功率
ay
pe
(2)
式(1)和式(2)的边界条件均为第二类热边界条件，即热流边界条件为