CN103455644A - 一种基于耦合质量的液体推进剂动力学模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于耦合质量的液体推进剂动力学模拟方法，依次包括：一、采集火箭贮箱的结构参数；采集贮箱中推进剂的密度信息；得到贮箱节点和贮箱节点对应的质量单元；得到某飞行时刻的推进剂质量；二、根据推进剂质量和推进剂的密度信息，得到推进剂体积；根据火箭贮箱的结构参数，得到推进剂的液位高度；三、根据推进剂的液位高度，将推进剂分配在贮箱的节点对应坐标上；四、根据贮箱每个节点分配到的推进剂质量，得到推进剂单元耦合质量矩阵；五、生成贮箱各节点的耦合质量单元。本发明物理意义更清晰，可进一步推广到运载火箭纵向、横向载荷计算中，实现火箭纵横扭一体化动力学建模。

Description

一种基于耦合质量的液体推进剂动力学模拟方法

技术领域

本发明涉及一种基于耦合质量的液体推进剂动力学模拟方法，特别是涉及一种运载火箭和液体导弹等效梁模型液体推进剂质量模拟方法。

背景技术

液体火箭中推进剂可占全箭起飞时总重的90％左右。液体推进剂对火箭横向、纵向、扭转作用效果与固体结构（包括固体推进剂）不同，其动力学模拟技术一直是火箭结构动力学建模的重点和难点。液体推进剂与贮箱的液固耦合作用会降低火箭结构振动频率。

随着火箭运载能力提高、助推器长度不断增加，捆绑火箭的纵向、横向、扭转耦合模态越来越突出。以往火箭结构动力学分析过程中，横向分析采用梁模型、纵向分析采用弹簧-质量模型，无法反映捆绑火箭纵向与横向、纵向与扭转模态之间耦合效应的问题。如我国首次载人飞行试中遇到的8Hz现象，就是典型的火箭纵向、横向、扭转动力学耦合问题，主要表现了芯级以纵向、扭转为主、而助推器主要表现为横向为主。因此亟需提供一种新型的基于耦合质量的液体推进剂动力学模拟方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提高了火箭结构动特性分析的精度的基于耦合质量的液体推进剂动力学模拟方法。

为解决上述技术问题，本发明一种基于耦合质量的液体推进剂动力学模拟方法，依次包括以下步骤：

第一步、采集火箭贮箱的结构参数，包括贮箱容积、贮箱上底和下底几何形状和尺寸信息、贮箱筒段高度和直径；采集贮箱中推进剂的密度信息；

采集总体原始数据，根据总体原始数据得到贮箱的分站信息；根据分站信息得到贮箱节点和贮箱节点对应的质量单元；

采集弹道数据，根据弹道数据得到某飞行时刻的推进剂质量；

第二步、根据推进剂质量和推进剂的密度信息，得到推进剂体积；根据火箭贮箱的结构参数，得到推进剂的液位高度；

第三步、根据推进剂的液位高度，将推进剂分配在贮箱的节点对应坐标上；

第四步、根据贮箱每个节点分配到的推进剂质量，得到推进剂单元耦合质量矩阵；

当节点位于贮箱筒段位置时，其耦合质量矩阵

$M_f^e=\left[\begin{array}{cccccc}0& & & & & \\ & m_f^e& & 0& & \\ & & m_f^e& & & \\ & & & 0& & \\ & 0& & & 0& \\ & & & & & 0\end{array}\right];$

式中：

为所述节点分配到的推进剂质量；

当节点位于贮箱下底位置时，其耦合质量矩阵

$M_f^e=\left[\begin{array}{cccccc}\mathrm{\Σ}{m}_f^e& & & & & \\ & m_f^e& & 0& & \\ & & m_f^e& & & \\ & & & 0& & \\ & 0& & & 0& \\ & & & & & 0\end{array}\right];$

式中：为贮箱内推进剂总质量；

第五步、在火箭结构动力学有限元建模时，针对贮箱筒段位置处的质量单元和位于贮箱下底位置处的质量单元的横向和纵向质量分别赋值，采用耦合质量矩阵格式生成贮箱各节点的耦合质量单元。

步骤三中，贮箱筒段节点分配到的推进剂质量为该节点下一节点至该节点上一节点之间的推进剂质量的一半，贮箱下底位置处的节点分配到的推进剂质量为下底所含推进剂质量及该节点至该节点上一节点之间推进剂质量的一半。

本发明通过准确模拟推进剂的动力学特性，提高了火箭结构动特性分析的精度，横向一阶频率偏差在5%之内，横向二、三阶频率和纵向一阶频率偏差在10%之内。通过推进剂单元的耦合质量矩阵实现了同时模拟推进剂在横向、纵向和扭转运动中的不同效应，为实现火箭纵横扭一体化建模奠定了基础，并且可以可进一步推广到运载火箭纵向、横向载荷计算中。提高了建模和分析效率，将火箭动特性分析和载荷计算时间由一个月缩短至一周之内。本方法成功应用于交汇对接任务全箭振动特性试验和分析，效果经过了地面和飞行试验的考核。

附图说明

图1为本发明所提供的一种充液的贮箱示意图。

图2为本发明所提供的一种火箭总体坐标系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明依次包括以下步骤：

第一步、采集火箭贮箱的结构参数，包括贮箱容积、贮箱上底和下底几何形状和尺寸信息、贮箱筒段高度和直径；采集贮箱中推进剂的密度信息；

采集总体原始数据，根据总体原始数据得到贮箱的分站信息；根据分站信息得到贮箱节点和贮箱节点对应的质量单元；

采集弹道数据，根据弹道数据得到某飞行时刻的推进剂质量；

第二步、根据推进剂质量和推进剂的密度信息，得到推进剂体积；根据火箭贮箱的结构参数，得到推进剂的液位高度；

第三步、根据推进剂的液位高度，将推进剂分配在贮箱的节点对应坐标上；

贮箱筒段节点分配到的推进剂质量为该节点下一节点至该节点上一节点之间的推进剂质量的一半，贮箱下底位置处的节点分配到的推进剂质量为下底所含推进剂质量及该节点至该节点上一节点之间推进剂质量的一半；

第四步、根据贮箱每个节点分配到的推进剂质量，得到推进剂单元耦合质量矩阵。为了反映纵向变形推进剂只跟随箱底运动、横向变形推进剂跟随箱体一起平动、扭转变形推进剂不动的特点，

当节点位于贮箱筒段位置时，其耦合质量矩阵

$M_f^e=\left[\begin{array}{cccccc}0& & & & & \\ & m_f^e& & 0& & \\ & & m_f^e& & & \\ & & & 0& & \\ & 0& & & 0& \\ & & & & & 0\end{array}\right];$

式中：

为所述节点分配到的推进剂质量；

当节点位于贮箱下底位置时，其耦合质量矩阵

$M_f^e=\left[\begin{array}{cccccc}\mathrm{\Σ}{m}_f^e& & & & & \\ & m_f^e& & 0& & \\ & & m_f^e& & & \\ & & & 0& & \\ & 0& & & 0& \\ & & & & & 0\end{array}\right];$

式中：

为贮箱各节点分配到的推进剂质量之和，即贮箱内推进剂总质量；

第五步、在火箭结构动力学有限元建模时，针对贮箱筒段位置处的质量单元和位于贮箱下底位置处的质量单元的横向和纵向质量分别赋值，采用耦合质量矩阵格式生成贮箱各节点的耦合质量单元。

对火箭中使用的带椭球底的圆柱贮箱，将其柱段等分为10个梁单元，共11个节点（1-10）和11个推进剂质量单元（11-21），如图1所示，其贮箱内推进剂质量单元号、质量及其对应节点如表1所示：

表1推进剂单元、质量和对应节点

对图2所示火箭总体坐标系，其耦合质量矩阵如下：

贮箱第11单元的耦合质量矩阵

$M_f^e=\left[\begin{array}{cccccc}0& & & & & \\ & 500.& & 0& & \\ & & 500.& & & \\ & & & 0& & \\ & 0& & & 0& \\ & & & & & 0\end{array}\right]$

贮箱贮段12-20单元的耦合质量矩阵

$M_f^e=\left[\begin{array}{cccccc}0& & & & & \\ & 1000.& & 0& & \\ & & 1000.& & & \\ & & & 0& & \\ & 0& & & 0& \\ & & & & & 0\end{array}\right]$

贮箱箱底21单元的耦合质量矩阵

$M_f^e=\left[\begin{array}{cccccc}12000.& & & & & \\ & 2500.& & 0& & \\ & & 2500.& & & \\ & & & 0& & \\ & 0& & & 0& \\ & & & & & 0\end{array}\right]$

耦合质量矩阵在自编程序中容易实现，但在有限元分析软件NASTRAN实现较难，其实现对运载火箭及结构动力学建模及纵横扭耦合模态分析具有重要意义。NASTRAN软件提供了两种质量单元CONM2，CONM1。其中CONM2为集中质量矩阵，其在三个平动方向的作用效果相同；CONM1质量矩阵的一般性形式，是6×6对称方阵，由21个互相独立元素，可以根据质量对各坐标轴的平动和转动确定各元素的数值，适应描述耦合质量矩阵式。

对图1推进剂贮箱，表1所示推进剂质量单元号、质量及其对应节点，图2所示火箭坐标系，对应的CONM1自由格式表示的推进剂耦合质量如下：

本发明针对捆绑火箭纵横扭模态耦合问题，从流固耦合基本理论出发，研究了液体推进剂的附加质量效应，给出能够反映液体推进剂在火箭纵向、横向和扭转方向不同动力学效应的耦合质量矩阵。耦合质量方法是对集中质量方法的改进，反映无粘性推进剂在纵向、横向和扭转特性中的不同作用效果，物理意义更清晰，可进一步推广到运载火箭纵向、横向载荷计算中，实现火箭纵横扭一体化动力学建模。

本方法已应用于交汇对接任务全箭振动特性试验，效果经过了地面和飞行试验的考核。

Claims (2)

1.一种基于耦合质量的液体推进剂动力学模拟方法，依次包括以下步骤：

第一步、采集火箭贮箱的结构参数，包括贮箱容积、贮箱上底和下底几何形状和尺寸信息、贮箱筒段高度和直径；采集贮箱中推进剂的密度信息；

采集总体原始数据，根据总体原始数据得到贮箱的分站信息；根据分站信息得到贮箱节点和贮箱节点对应的质量单元；

采集弹道数据，根据弹道数据得到某飞行时刻的推进剂质量；

第二步、根据推进剂质量和推进剂的密度信息，得到推进剂体积；根据火箭贮箱的结构参数，得到推进剂的液位高度；

第三步、根据推进剂的液位高度，将推进剂分配在贮箱的节点对应坐标上；

第四步、根据贮箱每个节点分配到的推进剂质量，得到推进剂单元耦合质量矩阵；

当节点位于贮箱筒段位置时，其耦合质量矩阵

$M_f^e=\left[\begin{array}{cccccc}0& & & & & \\ & m_f^e& & 0& & \\ & & m_f^e& & & \\ & & & 0& & \\ & 0& & & 0& \\ & & & & & 0\end{array}\right];$

式中：为所述节点分配到的推进剂质量；

当节点位于贮箱下底位置时，其耦合质量矩阵

$M_f^e=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\Σm}}_f^e& & & & & \\ & m_f^e& & 0& & \\ & & m_f^e& & & \\ & & & 0& & \\ & 0& & & 0& \\ & & & & & 0\end{array}\right];$

式中：为贮箱内推进剂总质量；

第五步、在火箭结构动力学有限元建模时，针对贮箱筒段位置处的质量单元和位于贮箱下底位置处的质量单元的横向和纵向质量分别赋值，采用耦合质量矩阵格式生成贮箱各节点的耦合质量单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于耦合质量的液体推进剂动力学模拟方法，其特征在于：所述步骤三中，贮箱筒段节点分配到的推进剂质量为该节点下一节点至该节点上一节点之间的推进剂质量的一半，贮箱下底位置处的节点分配到的推进剂质量为下底所含推进剂质量及该节点至该节点上一节点之间推进剂质量的一半。

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