专用程序

本模块集发动机设计及分析之大成，将工程中常用的主要功能编制成Java程序，设计人员可以在手机上和联网的电脑上方便地使用这些程序。计算结果多为理论值，考虑工程实际，需要修正。（可以收藏该网址：http://www.srmcad.com/?page_id=4457）

---

发动机常用计算工具

气动-参数计算

壳体爆破压强计算

大气参数计算

金属壳体强度计算及稳定性验算

上法兰计算

下法兰计算

内螺纹强度计算

外螺纹强度计算

密封结构设计

金属壳体设计

复合壳体设计

发动机常用参数计算

固体火箭发动机设计经常涉及到内弹道性能计算，如推力、比冲等。另一方面，已知内弹道性能要求，计算对发动机燃面、喷喉参数、压强比和面积比等的计算。本模块计算是某状态参数。高级功能可参照SrmStudio。

推进剂参数

燃速系数a(m/s)：

压力指数n：

密度rho(kg/m^3)：

特征速度C*(m/s)：

燃气温度Tg(K)：(m/s)

燃气比热比k：(m/s)

喷管参数

喉部半径Rt(mm)：

装药参数

装药燃烧面积(m^2)：

燃烧室参数

燃烧室压强(MPa)：

计算用到上述所有参数（Rt和Ab作为输入参数）

计算燃烧室压强Pc

计算用到上述所有参数（Rt和Pc作为输入参数）

计算燃烧面积Ab

计算用到上述所有参数（Pc和Ab作为输入参数）

计算喷管喉部半径Rt

计算只用C*、Pc、Mr

质量流率Mr(kg/s)：

用质量流率计算喷管Rt

计算只用发动机工作高度H

工作高度H(m)：

环境压强Pa(MPa)：

计算环境压强Pa(MPa)

计算用到Pc，epsA，k

喷管面积膨胀比epsA：

喷管出口压强Pe(MPa)：

计算喷管出口压强Pe(MPa)

计算用到C*,H,epsA,k

喷管推力系数Cf：

喷管比冲Isp(m/s)：

冻结流比冲计算Isp(m/s)

计算用到C*,Ha,epsA,Rt,k

发动机推力F(kN)：

发动机推力计算F(kN)

计算只用a、Pc、n

燃速rb(m/s)：

计算燃速rb(mm/s)

---

气动参数计算

气动参数计算一般用于计算外流场λ及M对气动参数的影响，也可用于计算喷管一位流动参数变化，并用于手工规划气体流道型面。复杂几何形状及流动状态，可用FLUENT、CFX等软件计算。

气体比热比k：

气流速度系数λ：

---

τ（λ）：

ε（λ）：

π（λ）：

q（λ）：

y（λ）：

f（λ）：

r（λ）：

M（λ）：

计算气动参数计算

由M计算λ

激波参数计算

波后速度系数（λ2）：

波后波前静压比p2/p1：

总压恢复系数（σp）：

正激波计算

气流折转角α（°）：

激波马赫角β（°）：

斜激波计算

壳体爆破压强评估

爆破压强是衡量燃烧室壳体设计强度余量的重要参数，在水爆试验前需要进行预估。本程序采用第一强度理论（最保守）、第四强度理论（较保守）和塑性变形理论，分别进行预估。根据所选材料的性能和壳体的其它要求，选择使用响应的结果。

壳体尺寸及材料数据

壳体半径Rc：

壳体实际壁厚h(mm)：

筒段长度Lc(mm)：

极限强度σb(MPa)：

材料修正经验系数β：

焊缝系数Φ：

爆破压强Pbucd(MPa)：

薄膜应力，第一强度理论

薄膜应力，第四强度理论

喷管喉部半径Rt(mm)：

材料屈服于强度σs（MPa）：

材料弹性模量E（MPa）：

材料泊松比μ（MPa）：

塑性变形理论分析壳体爆破压强

封头椭球比（MPa）：

封头爆破压力

大气参数计算

大气参数计算涉及给定高度下大气和重力参数。空空弹的巡航高度约为10km，临近空间约为20~100km，战略导弹飞行高度一般在100km以上，空间站高度在200~330公里的高度，马斯克星链约在550km高度。近地轨道LEO：400-2000公里；中地球轨道MEO：2000-36000，GPS、GLONASS都属于此类轨道。地球同步转移轨道GTO：指近地点在1000公里以下、远地点为地球同步轨道高度（约36000公里）的椭圆轨道；在火箭性能方面，常以地球同步转移轨道承载能力作为指标。静止轨道GEO：35900。

大气参数计算

大气参数

高度(m)：

---

大气压力Pa(Pa)：

大气温度Ta(K)：

大气密度(kg/m^3)：

重力加速度G(kg/s)：

音速a：(m/s)

计算

金属壳体壁厚计算及稳定性验算

圆筒在轴向压力作用下，失稳是伴随清脆的响声而发生的。在圆筒中段沿环向出现菱形的凹陷，沿母线形成几排凹陷带。当轴压卸载后，圆筒又恢复原状，这就是弹性失稳。金属薄壁圆筒的弹性失稳，卸载后并不影响其强度。多数圆筒所发生的这种弹性失稳模态都是非轴对称的，只有对短圆铜材才可能发生对称失稳模态——沿母线生成若干排环向凹陷。

---

壳体尺寸及材料数据

燃烧室压强Pc(MPa)：

壳体半径Rc：

极限强度σb(MPa)：

材料修正经验系数β：

焊缝系数Φ：

安全系数k：

计算壳体壁厚δc(mm)：

壳体壁厚的计算

封头椭球比（MPa）：

封头壁厚δm(mm)：

封头壁厚的计算

筒段长度Lc(mm)：

材料弹性模量E（MPa）：

材料泊松比μ（MPa）：

径向变形ΔR(mm)：

轴向变形ΔL(mm)：

内压作用壳体变形

轴压稳定性

试验修正系数kex对于超短筒可取2~3，其它由公式算出：

临界轴向力Tcr（kN）：

轴压稳定性计算

外压稳定性

试验修正系数kw1对于超短筒可取2~3，其它由公式算出：

一般地，当 kw1=0.605，适用于全面受外压；当 kw1=1.31，适用于侧面受外压。

对于超短圆通，当 kw=1.8，用于全面受外压；当 kw=3.6，用于侧面受外压

临界外压Pcr（MPa）：

外压稳定性计算

横剪稳定性

试验修正系数kex可按下列数据，参考取值：

壳体半径/壁厚(kex) 250(0.8), 500(0.7), 1000(0.6) , 1500(0.5)

横剪力Qcr（kN）：

横剪稳定性计算

---

上法兰强度校核

上法兰参数

最大压强Pmax(MPa)：

螺孔数量n：

许用应力σs(MPa)：

接头高度H(mm)：

接头宽度B(mm)：

壁厚b1：(mm)

危险截面直径Dfpc(mm)：

螺栓圆直径Dl(mm)：

密封面平均直径Dz(mm)：

密封圈相当宽度b(mm)：

密封圈系数m(mm)：

计算结果

螺栓总拉力Q(kN)：

弯曲应力σw(MPa)：

安全系数fk

应力计算

下法兰强度校核

下法兰参数

最大压强Pmax(MPa)：

螺孔数量n：

许用应力σs(MPa)：

接头高度h1(mm)：

接头高度h2(mm)：

接头高度h3(mm)：

接头宽度B(mm)：

壁厚b1：(mm)

螺孔直径D(mm)：

螺栓圆直径Dl(mm)：

密封面平均直径Dz(mm)：

密封圈相当宽度b(mm)：

密封圈系数m(mm)：

计算结果

螺栓总拉力Q(kN)：

弯曲应力σw(MPa)：

安全系数fk

应力计算

内螺纹强度校核

内螺纹参数

螺纹受到的最大拉力Q(kN)：

材料许用应力σs(MPa)：

螺纹外径d(mm)：

螺纹内径d1(mm)：

螺距t(mm)：

螺纹长度l(mm)：

螺纹受力圈数z：

与螺纹形状有关的系数β：

计算结果

螺纹弯曲应力σw(MPa)：

螺纹拉应力σJ(MPa)：

螺纹剪切应力σT(MPa)：

弯曲应力安全系数fkW：

拉压应力安全系数fkJ：

剪切应力安全系数fkT：

应力计算

外螺纹强度校核

外螺纹参数

螺纹受到的最大拉力Q(kN)：

材料许用应力σs(MPa)：

螺最小断面直径d1(mm)：

螺纹内径d0(mm)：

螺距t(mm)：

螺纹长度l(mm)：

螺纹受力圈数z：

螺柱个数n：

计算结果

螺纹弯曲应力σw(MPa)：

螺纹拉应力σJ(MPa)：

螺柱等效应力σs(MPa)：

弯曲应力安全系数fkW：

拉压应力安全系数fkJ：

等效应力安全系数fkT：

螺柱断面应力σ(MPa)：

应力计算

密封结构设计

密封圈设计任务：确定O形密封圈尺寸参数、相对压缩量和受拉伸时绳径的变化；给出矩形截面密封槽的深度、宽度。

1 .O形密封圈尺寸参数确定

称O形密封结构的内径D为圈径、密封圈横向截面直径d_m为绳径。

圈径D的确定

圈径D由密封槽的位置而定，一般取D等于或小于密封槽的内侧直径

绳径d_m的确定

绳径d_m与圈径D有关，一般原则为D越大，d_m也越大。较大的d_m有利于密封可靠性(可防止密封圈被挤出槽外)，但考虑到接头的尺寸限制，d_m也不能太大。根据实践经验，推荐用下式确定绳径(单位为mm)：

\({d}_{m}={k}_{m}D+{d}_{0m}\)

对端面密封，可取k_m和d_0m分别为0.005和3mm；对侧面密封，可取k_m和D_0m分别为0.004和2mm。上式适用范围为D≥50mm。

O形密封圈的相对压缩量

在内压作用下，O形密封圈具有良好的自紧密封性能。理论上只要相对压缩量ε_m >0，即能保证密封。太大的预先压缩对密封圈的贮存性能不利。O形密封圈的相对压缩量ε_m由下式确定

\({\varepsilon}_m=\frac{{\Delta}{d}}{{d}_{m}}\)

Δd为O形密封圈的绝对压缩量。

密封结构设计时，ε_m 要预先给定。实践表明，对端面密封取ε_m =0.20～0.30、侧面密封取ε_m =0.15～0.20似已足够。

O形密封圈受拉伸时的绳径变化

对端面梯形密封槽结构，O形密封圈要套在喷管固定体或者堵盖上。为了使O形密封圈与这些连接件之间有一定的预紧力，固定体或堵盖与 O 形密封圈接触处的直径应大于圈径D，一般为D+ΔD。这样一来，O形密封圈将受到拉伸、绳径将减小。绳径d_m的减小量δd_m 由下式确定：

\({\delta}{d}_{m}=\frac{{\nu}{\Delta}{D}}{D}{d}_{m}\)

式中ν为O形密封圈材料的泊松比。

已知数据

密封圈径D(mm)：

系数km：

基础直径d0m(mm)：

相对压缩量εm：

绝对压缩量Δd(mm)：

O形圈材料泊松比ν：

O形圈径增大量ΔD(mm)：

O形密封圈设计

密封圈绳径dm(mm)：

O形圈绳径的缩小量δdm(m)：

密封圈绳径计算

2 O 形矩形密封槽结构尺寸确定

采用 O 形密封圈时，密封槽一般为矩形截面槽或梯形截面槽。确定密封槽尺寸的原则是：一要确保相对压缩量，二要使O形密封圈不被挤压坏。

设矩形截面密封槽的深度为H、宽度为B，为确保O 形密封圈的相对压缩量为ε_m ，则槽深为

\(H=(1-{\epsilon}_{m}){d}_{m}\)

适用于平底法兰堵盖。如果法兰设有压入槽内的凸台，那么槽深应根据凸台的高度而适当增加以保证相对压缩量为ε_m 即可。

槽宽B的确定有两种方法：

• 设矩形槽横截面积与O形密封圈横截面积之比为ζ，则有、\(BH=\frac{1}{4}\pi \varsigma d_{m}^{2}\)，由此得槽宽为

一般取ζ≥1.1，即可确保O形密封圈不被挤压坏。

• 由于O形密封圈受压缩后，其横截面宽度为

\(B=\left( \frac{1}{1-{\varepsilon}_{m}}{d}_{m} \right)\);

适用范围为0.1≤ε_m ≤0.4。显然，槽宽选为O形密封圈受压缩后的横截面宽度，O形密封圈肯定不会被挤压坏。

槽的横截面积与绳的横截面积之比ζ：

槽的深度H(mm)：

槽的宽度B(mm)：

B的计算按槽的横截面积与绳的横截面积之比ζ

B的计算按压缩量εm

3 梯形截面密封槽确定

梯形截面密封槽的宽度B与O形密封槽一致。当O形密封圈圈径与梯形槽内侧直径相等时，在保证相对压缩量为ε_m 的条件下，从加工工艺考虑，梯形槽的外侧深度H₁是可测量的，故应首先确定。当挤压角为α_m 时，H₁由下式确定

\({{H}_{1}}=\left( 1-{{\varepsilon }_{m}} \right){{d}_{m}}-\left[ B-\frac{{{d}_{m}}}{2}\left( 1+\tan \frac{{{\alpha }_{m}}}{2} \right) \right]\tan {{\alpha }_{m}}\)

当然，如果梯形槽的B、H₁、α_m 和绳径d_m给定，也可由该式确定相对压缩量ε_m 。

O形密封圈具有良好的自紧密封性能，挤压角不必取得过大，一般为0°≤α_m ≤5°。

槽的挤压角αm：

槽的深度H1(mm)：

槽的大端深度H(mm)：

槽的宽度B(mm)：

计算梯形槽的尺寸

按槽的尺寸计算压缩量εm