CN103678879B - 一种输送管载荷分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种输送管载荷分析方法，本发明由任务剖面划分、输送管结构剖分、输送管前段和后段载荷计算、输送管前段和后段对接处载荷计算组成，首先将输送管任务剖面划分为装配、气检、燃料加注、射前增压、飞行五个工况，将输送管结构剖分为前段、后段，对输送管施加各工况下的内压和补偿位移，根据输送管中波纹管的刚度计算输送管载荷，所述的载荷包括轴向力、径向力和弯矩。

Description

一种输送管载荷分析方法
技术领域
本发明涉及一种输送管载荷分析方法，特别是涉及一种适用于输送管的载荷分析技术，属于运载火箭力学环境技术领域。
背景技术
在研火箭推力的提升往往意味着输送管路内径及工作压力均较常规型号增大，最直接的影响是输送管对接口处，如贮箱底、发动机的载荷将按平方关系提升，反之管路也将受到反作用力，因此在贮箱、发动机及管路设计时，载荷已成为关键输入条件，必须根据载荷进行设计校核，否则载荷比较大时，很可能导致贮箱、发动机及管路破坏或者密封失效。
输送管载荷计算时的典型问题是：管路内具有内压载荷及位移载荷时，管路两端所具有的支反力分别是多少？目前为了回答这一问题，需要借助有限元软件进行数值计算，由于管路一般具有波纹管等补偿元件，有限元建模及计算费时费力，因此需要一种简洁有效的分析方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种输送管的载荷分析方法，本方法通过输送管载荷分析，提高了载荷设计分析的效率，进而避免了贮箱、发动机及管路破坏或者密封失效。
本发明的技术解决方案是：
一种适用于输送管的载荷分析方法，输送管由液氧箱后底，穿过煤油箱后与发动机连接，在煤油箱后底处固定连接；包括步骤如下：
（1）将输送管按照任务剖面划分为不同的工况，所述的工况包括装配工况、气检工况、加注工况、射前增压工况、飞行工况；
（2）根据输送管与贮箱的连接方式将输送管划分为输送管前段和输送管后段；液氧箱后底到煤油箱后底为输送管前段；煤油箱后底到发动机为输送管后段；
（3）对输送管施加步骤（1）中各工况下的内压和补偿位移，并分别计算输送管前段载荷和输送管后段载荷，所述的载荷包括轴向力、径向力和弯矩；
（4）根据步骤（3）中计算得到的各工况下输送管前段和后段载荷计算出各工况下输送管前段和输送管后段对接处载荷。
所述的输送管内部含有波纹管。
所述的轴向力包括输送管前段对氧箱后底法兰轴向力、输送管后段对煤油箱后底法兰轴向力和输送管后段对发动机氧泵端轴向力；所述的径向力包括输送管前段对氧箱后底法兰径向力、输送管后段对煤油箱后底法兰径向力和输送管后段对发动机氧泵端径向力；所述弯矩包括输送管前段对氧箱后底法兰弯矩、输送管后段对煤油箱后底法兰弯矩和输送管后段对发动机氧泵端弯矩。
所述步骤（3）中输送管前段载荷计算包括如下步骤：
（a）输送管前段对氧箱后底法兰轴向力Fxq满足：
Fxq=F1q-F2q
其中，F1q输送管前段波纹管受内压所产生的轴向推力
F2q为输送管前段波纹管补偿轴向位移所产生的轴向力F2q=KxqΔxq；
Dmq为输送管前段波纹管平均外径；
dq为输送管前段波纹管内径；
Pq为输送管前段波纹管最大工作压力；
Kxq为输送管前段波纹管轴向刚度；
Δxq为输送管前段轴向补偿量；
（b）输送管前段对氧箱后底法兰径向力Fyq满足：
Fyq=KyqΔyq
其中：Kyq为输送管前段波纹管径向刚度；
Δyq为输送管前段径向补偿量；
（c）输送管前段对氧箱后底法兰弯矩Mq满足：
Mq=FyqLq
其中，Lq为输送管前段波纹管中点到氧箱后底法兰距离。
所述步骤（3）中输送管后段载荷计算包括如下步骤：
（a）输送管后段对煤油箱后底法兰轴向力Fxh满足：
Fxh=(F1h-F2h)
其中：F1h为输送管后段波纹管受内压所产生的轴向推力
F2h为输送管后段波纹管补偿轴向位移所产生的轴向力F2h=KxhΔxh；
Dmh为输送管后段波纹管平均外径；
dh为输送管后段波纹管内径；
Ph为输送管后段波纹管最大工作压力；
Kxh为输送管后段波纹管轴向刚度；
Δxh为输送管后段轴向补偿量；
（b）输送管后段对煤油箱后底法兰径向力Fyh满足：
Fyh=KyhΔyh
其中：
Kyh为输送管后段波纹管径向刚度；
Δyh为输送管后段径向补偿量；
（c）输送管后段对煤油箱后底法兰弯矩Mh满足：
Mh=FyhLh
其中，Lh为输送管后段波纹管中点到煤油箱后底法兰距离；
（d）输送管后段对发动机氧泵端轴向力Fxf满足：
Fxf=F2h-F1h
（e）输送管后段对发动机氧泵端径向力Fyf满足：
Fyf=Fyh
（f）输送管后段对发动机氧泵端弯矩Mf满足：
Mf=FyfLf
其中：Lf为输送管后段波纹管中点到发动机氧泵端距离。
所述步骤（4）中输送管前段和后段对接处载荷计算方法如下：
输送管前段和后段对接处载荷，即指输送管对煤油箱后底处载荷满足：
Fx=Fxh-Fxq
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提供了一种输送管载荷计算的工程方法，对输送管按照前段、后段划分，将复杂结构转化为了简单结构，通过输入波纹管刚度、内压及位移，即可计算出各工况下的输送管载荷，避免了有限元方法的繁琐和复杂，可运用该方法指导贮箱、发动机及管路设计。
附图说明
图1为本发明输送管结构图；
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，本发明所指的输送管结构为由氧箱后底引出，穿过煤油箱后与发动机连接。输送管在煤油箱后底处有一固定点，从氧箱底至煤油箱后底为输送管前段，从煤油箱后底至发动机为输送管后段，输送管前段及后段上均装备有波纹管。
如图2所示，本发明一种适用于输送管的载荷分析方法，输送管由液氧箱后底，穿过煤油箱后与发动机连接，在煤油箱后底处固定连接；包括步骤如下：
（1）将输送管按照任务剖面划分为不同的工况，所述的工况包括装配工况、气检工况、加注工况、射前增压工况、飞行工况；输送管内部含有波纹管。
（2）根据输送管与贮箱的连接方式将输送管划分为输送管前段和输送管后段；液氧箱后底到煤油箱后底为输送管前段；煤油箱后底到发动机为输送管后段；
（3）对输送管施加步骤（1）中各工况下的内压和补偿位移，并分别计算输送管前段载荷和输送管后段载荷，所述的载荷包括轴向力、径向力和弯矩；轴向力包括输送管前段对氧箱后底法兰轴向力、输送管后段对煤油箱后底法兰轴向力和输送管后段对发动机氧泵端轴向力；径向力包括输送管前段对氧箱后底法兰径向力、输送管后段对煤油箱后底法兰径向力和输送管后段对发动机氧泵端径向力；弯矩包括输送管前段对氧箱后底法兰弯矩、输送管后段对煤油箱后底法兰弯矩和输送管后段对发动机氧泵端弯矩。
（4）根据步骤（3）中计算得到的各工况下输送管前段和后段载荷计算出各工况下输送管前段和输送管后段对接处载荷。
步骤（3）中输送管前段载荷计算包括如下步骤：
（a）输送管前段对氧箱后底法兰轴向力Fxq满足：
Fxq=F1q-F2q
其中，F1q输送管前段波纹管受内压所产生的轴向推力
F2q为输送管前段波纹管补偿轴向位移所产生的轴向力F2q=KxqΔxq；
Dmq为输送管前段波纹管平均外径（mm）；
dq为输送管前段波纹管内径（mm）；
Pq为输送管前段波纹管最大工作压力（MPa）；
Kxq为输送管前段波纹管轴向刚度（N/mm）；
Δxq为输送管前段轴向补偿量（mm）；
（b）输送管前段对氧箱后底法兰径向力Fyq满足：
Fyq=KyqΔyq
其中：Kyq为输送管前段波纹管径向刚度（N/mm）；
Δyq为输送管前段径向补偿量（mm）；
（c）输送管前段对氧箱后底法兰弯矩Mq满足：
Mq=FyqLq
其中，Lq为输送管前段波纹管中点到氧箱后底法兰距离（m）。
步骤（3）中输送管后段载荷计算包括如下步骤：
（a）输送管后段对煤油箱后底法兰轴向力Fxh满足：
Fxh=(F1h-F2h)
其中：F1h为输送管后段波纹管受内压所产生的轴向推力
F2h为输送管后段波纹管补偿轴向位移所产生的轴向力F2h=KxhΔxh；
Dmh为输送管后段波纹管平均外径（mm）；
dh为输送管后段波纹管内径（mm）；
Ph为输送管后段波纹管最大工作压力（MPa）；
Kxh为输送管后段波纹管轴向刚度；
Δxh为输送管后段轴向补偿量；
输送管后段对煤油箱后底法兰径向力Fyh满足：
Fyh=KyhΔyh
其中：
Kyh为输送管后段波纹管径向刚度；
Δyh为输送管后段径向补偿量；
（c）输送管后段对煤油箱后底法兰弯矩Mh满足：
Mh=FyhLh
其中，Lh为输送管后段波纹管中点到煤油箱后底法兰距离（m）。
（d）输送管后段对发动机氧泵端轴向力Fxf满足：
Fxf=F2h-F1h
（e）输送管后段对发动机氧泵端径向力Fyf满足：
Fyf=Fyh
（f）输送管后段对发动机氧泵端弯矩Mf满足：
Mf=FyfLf
其中：Lf为输送管后段波纹管中点到发动机氧泵端距离（m）。
步骤（4）中输送管前段和后段对接处载荷计算方法如下：
输送管前段和后段对接处载荷，即指输送管对煤油箱后底处载荷满足：
Fx=Fxh-Fxq
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种输送管载荷分析方法，其特征在于步骤如下：
(1)将输送管按照任务剖面划分为不同的工况，所述的工况包括装配工况、气检工况、加注工况、射前增压工况、飞行工况；
(2)根据输送管与贮箱的连接方式将输送管划分为输送管前段和输送管后段；液氧箱后底到煤油箱后底为输送管前段；煤油箱后底到发动机为输送管后段；
(3)对输送管施加步骤(1)中各工况下的内压和补偿位移，并分别计算输送管前段载荷和输送管后段载荷，所述的载荷包括轴向力、径向力和弯矩；
(4)根据步骤(3)中计算得到的各工况下输送管前段和后段载荷计算出各工况下输送管前段和输送管后段对接处载荷。
2.根据权利要求1所述的一种输送管载荷分析方法，其特征在于：所述的输送管内部含有波纹管。
3.根据权利要求1所述的一种输送管载荷分析方法，其特征在于：所述的轴向力包括输送管前段对液氧箱后底法兰轴向力、输送管后段对煤油箱后底法兰轴向力和输送管后段对发动机氧泵端轴向力；所述的径向力包括输送管前段对液氧箱后底法兰径向力、输送管后段对煤油箱后底法兰径向力和输送管后段对发动机氧泵端径向力；所述弯矩包括输送管前段对液氧箱后底法兰弯矩、输送管后段对煤油箱后底法兰弯矩和输送管后段对发动机氧泵端弯矩。
4.根据权利要求1所述的一种输送管载荷分析方法，其特征在于：所述步骤(3)中输送管前段载荷计算包括如下步骤：
(a)输送管前段对液氧箱后底法兰轴向力Fxq满足：
Fxq＝F1q-F2q
其中，F1q输送管前段波纹管受内压所产生的轴向推力
F2q为输送管前段波纹管补偿轴向位移所产生的轴向力F2q＝KxqΔxq；
Dmq为输送管前段波纹管平均外径；
dq为输送管前段波纹管内径；
Pq为输送管前段波纹管最大工作压力；
Kxq为输送管前段波纹管轴向刚度；
Δxq为输送管前段轴向补偿量；
(b)输送管前段对液氧箱后底法兰径向力Fyq满足：
Fyq＝KyqΔyq
其中：Kyq为输送管前段波纹管径向刚度；
Δyq为输送管前段径向补偿量；
(c)输送管前段对液氧箱后底法兰弯矩Mq满足：
Mq＝FyqLq
其中，Lq为输送管前段波纹管中点到液氧箱后底法兰距离。
5.根据权利要求4所述的一种输送管载荷分析方法，其特征在于：所述步骤(3)中输送管后段载荷计算包括如下步骤：
(a)输送管后段对煤油箱后底法兰轴向力Fxh满足：
Fxh＝(F1h-F2h)
其中：F1h为输送管后段波纹管受内压所产生的轴向推力
F2h为输送管后段波纹管补偿轴向位移所产生的轴向力F2h＝KxhΔxh；
Dmh为输送管后段波纹管平均外径；
dh为输送管后段波纹管内径；
Ph为输送管后段波纹管最大工作压力；
Kxh为输送管后段波纹管轴向刚度；
Δxh为输送管后段轴向补偿量；
(b)输送管后段对煤油箱后底法兰径向力Fyh满足：
Fyh＝KyhΔyh
其中：
Kyh为输送管后段波纹管径向刚度；
Δyh为输送管后段径向补偿量；
(c)输送管后段对煤油箱后底法兰弯矩Mh满足：
Mh＝FyhLh
其中，Lh为输送管后段波纹管中点到煤油箱后底法兰距离；
(d)输送管后段对发动机氧泵端轴向力Fxf满足：
Fxf＝F2h-F1h
(e)输送管后段对发动机氧泵端径向力Fyf满足：
Fyf＝Fyh
(f)输送管后段对发动机氧泵端弯矩Mf满足：
Mf＝FyfLf
其中：Lf为输送管后段波纹管中点到发动机氧泵端距离。
6.根据权利要求5所述的一种输送管载荷分析方法，其特征在于：所述步骤(4)中输送管前段和后段对接处载荷计算方法如下：
输送管前段和后段对接处载荷，即指输送管对煤油箱后底处载荷满足：
Fx＝Fxh-Fxq。
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