CN105972343A - 一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法 - Google Patents

一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特点在于：将反向双螺旋金属带编织型铠装网套处理为梁结构，建立其有限元分析模型并进行实验验证；采用三维周期性模型分析铠装网套的周向膜应力和径向位移，并基于铠装网套的圆柱壳假定，建立了基于有限元径向位移解定量评估铠装网套对整体刚度、强度以及稳定性的解析方法。本发明有效地提高了反向双螺旋铠装网套增强能力的分析效率，解决了整体仿真中单元种类多、接触非线性复杂等导致收敛困难，以及地面实验可测量性差等问题，便于工程应用。

Description

一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法
技术领域
本发明涉及一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，属于液体火箭发动机总体结构设计领域，特别适用于高压条件下柔性连接管件的铠装加强结构的强度分析和校核。
背景技术
与铠装网套类似的金属带编织缠绕软管广泛应用于航空航天、热能以及化工等工业领域。对于一般的工程应用环境，大都将铠装网套视为保护和隔离外界杂质影响的装置，而其对内部组件的增强作用不作为主要性能进行研究。因此，对于铠装网套的结构增强作用研究成果较少。公开发表的文献中南京航空航天大学的屈彩虹曾经采用有限元方法分析了金属网套的静特性，青岛远洋船员学院的韩淑洁用有限元方法研究了不同编织角度金属网套静力学特性。上述针对金属网套的分析都采用了有限元方法，仅考虑了铠装网套静力学特性，并没有研究铠装网套与被保护结构的接触作用，以及铠装网套对整体刚度、强度和稳定性的影响。然而在高压环境中应用的燃气软管，铠装网套的增强作用不可忽视，需要清晰的认识铠装网套对整体刚度、强度和稳定性的影响模式，从而有效的设计和应用柔性金属软管，提高液体火箭发动机的结构可靠性。
发明内容
为了克服现有分析方法仅关注铠装网套金属网套的静力学特性，并没有研究铠装网套与被保护结构的接触作用，以及铠装网套对整体刚度、强度和稳定性的影响的技术问题，本发明提供一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法。
本发明的技术解决方案是：
本发明所提供的一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特殊之处在于，包括下列步骤：
1)选用矩形截面梁单元建立反向双螺旋铠装网套的有限元模型，并通过铠装网套的轴向拉伸实验验证；
2)根据燃气软管整体结构、载荷以及响应的三维周期性的特点，建立燃气软管整体三维周期性有限元模型，并进行内压响应分析，得到铠装网套的径向位移和膜应力的有限元值；
3)基于铠装网套的圆柱壳假定，将铠装网套径向位移等效为铠装网套直接承受的内压作用所致，得到铠装网套的膜应力的理论值和铠装网套所承受的等效压力与径向位移的解析函数关系；
4)通过膜应力的理论值与有限元值的比较验证铠装网套的圆柱壳假定的合理性；如果不合理，调整圆柱壳的结构参数；如果合理，进行步骤5)；
5)根据膜应力的理论值和等效压力与径向位移的解析函数关系计算铠装网套的强度和所分担的内压载荷。
上述步骤4)之后还包括步骤6)：在圆柱坐标系下，根据等效压力及铠装网套与被保护对象之间的接触作用关系，分析铠装网套对燃气软管的轴向摩擦阻力、轴向刚度以及稳定性的影响。
上述步骤(1)中铠装网套由多组反向双螺旋金属带编织而成。
上述步骤(1)中有限元模型的建立是基于等刚度准则。
上述步骤(1)中矩形截面梁单元尺寸为长2.4mm，宽0.3mm。
上述步骤(2)中燃气软管整体包括多层波纹管、铠装环和铠装网套；建立燃气软管整体三维周期性有限元模型时，铠装网套与波纹管、铠装环之间需要定义接触关系，通过接触单元和节点自由度耦合模拟部件之间的载荷和位移传递关系。
上述步骤(3)中将铠装网套等效为圆柱壳，根据径向变形与周向变形的协调关系，分析铠装网套的周向张应力；还包括根据周向张应力的强度准则，分析铠装网套可分担的最大内压载荷。
上述步骤6)中的轴向摩擦阻力变化源于铠装环与铠装网套之间的挤压作用引起的摩擦力，在圆柱坐标系下，摩擦力根据摩擦面上的作用力和摩擦接触面积可计算得到。
上述步骤(6)中的轴向刚度变化源于燃气软管弯曲变形时，铠装环与铠装网套之间的挤压作用引起的摩擦力矩，在圆柱坐标系下，摩擦力矩根据接触面上的作用力矩可计算得到。
上述步骤(6)中的稳定性的影响分析参考压杆失稳理论建立，通过轴向刚度的变化来评估铠装网套对整体稳定性的影响关系。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)综合考虑了铠装网套与被保护结构之间的接触作用和变形协调关系，建立了基于有限元解评估铠装网套结构特性和增强作用的理论解析模型，可定量评估铠装网套的内压分担能力，对轴向刚度的影响大小以及对稳定性的影响关系，克服了整体有限元仿真中计算量大、接触非线性作用复杂导致收敛困难，以及地面试验可测量性差等问题。
(2)采用解析模型评估铠装网套增强作用，工程应用简单，可操作性强。
(3)本发明对铠装网套进行参数化建模，大大的提高了计算效率，具有较好的通用性和重复性。
附图说明
图1是本发明铠装网套装配示意图。
图2是本发明反向双螺旋铠装网套的结构示意图。
其中附图标记为：1-铠装环，2-铠装网套，3-波纹管，4-端部连接段，5-正向螺旋金属带，6-反向螺旋金属带。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用的反向双螺旋铠装网套紧密包覆在摇摆软管的外表面；如图2所示，本发明采用的反向双螺旋铠装网套结构由多组正向螺旋金属带5和正反向螺旋金属带6缠绕编织而成。
本发明的燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，包括以下步骤：
1)基于等刚度准则，选用矩形截面梁单元建立反向双螺旋铠装网套的有限元模型，并通过铠装网套的轴向拉伸实验验证，矩形截面梁单元尺寸为长2.4mm，宽0.3mm；
2)根据燃气软管整体结构、载荷以及响应的三维周期性的特点，建立燃气软管整体三维周期性有限元模型，并进行内压响应分析，得到铠装网套的径向位移和膜应力的有限元值；燃气软管整体包括多层波纹管、铠装环和铠装网套；建立燃气软管整体三维周期性有限元模型时，铠装网套与波纹管、铠装环之间需要定义接触关系，通过接触单元和节点自由度耦合模拟部件之间的载荷和位移传递关系。
3)基于铠装网套的圆柱壳假定，将铠装网套径向位移等效为铠装网套直接承受的内压作用所致，得到铠装网套的膜应力的理论值和铠装网套所承受的等效压力与径向位移的解析函数关系；根据径向变形与周向变形的协调关系，分析铠装网套的周向张应力；根据周向张应力的强度准则，分析铠装网套可分担的最大内压载荷。
4)通过膜应力的理论值与有限元值的比较验证铠装网套的圆柱壳假定的合理性；如果不合理，调整圆柱壳的结构参数；如果合理，进行步骤5)；
5)根据膜应力的理论值和等效压力与径向位移的解析函数关系计算铠装网套的强度和所分担的内压载荷。
6)在圆柱坐标系下，根据等效压力及铠装网套与被保护对象之间的接触作用关系，分析铠装网套对燃气软管的轴向摩擦阻力、轴向刚度以及稳定性的影响，其中轴向摩擦阻力变化源于铠装环与铠装网套之间的挤压作用引起的摩擦力，在圆柱坐标系下，摩擦力根据摩擦面上的作用力和摩擦接触面积可计算得到；轴向刚度变化源于燃气软管弯曲变形时，铠装环与铠装网套之间的挤压作用引起的摩擦力矩，在圆柱坐标系下，摩擦力矩根据接触面上的作用力矩可计算得到；其中稳定性的影响分析参考压杆失稳理论建立，通过轴向刚度的变化来评估铠装网套对整体稳定性的影响关系。
实施例1
选择反向双螺旋铠装网套的几何参数为：内径300mm，螺距80mm、子午向高度200mm，螺旋线周向密度15；截面参数为：长度2.4mm，宽度0.3mm。摇摆软管承受10MPa内压作用时，铠装网套分担了2.04MPa的内压载荷，在满足强度要求的前提下，铠装网套可分担的最大内压载荷为4.1MPa，铠装网套将引起50kN的附加轴向摩擦阻力；增加了轴向刚度550N/mm，相应地提高了燃气软管整体抗失稳临界压力5MPa。

Claims (10)

1.一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)选用矩形截面梁单元建立反向双螺旋铠装网套的有限元模型，并通过铠装网套的轴向拉伸实验验证；
2)根据燃气软管整体结构、载荷以及响应的三维周期性的特点，建立燃气软管整体三维周期性有限元模型，并进行内压响应分析，得到铠装网套的径向位移和膜应力的有限元值；
3)基于铠装网套的圆柱壳假定，将铠装网套径向位移等效为铠装网套直接承受的内压作用所致，得到铠装网套的膜应力的理论值和铠装网套所承受的等效压力与径向位移的解析函数关系；
4)通过膜应力的理论值与有限元值的比较验证铠装网套的圆柱壳假定的合理性；如果不合理，调整圆柱壳的结构参数；如果合理，进行步骤5)；
5)根据膜应力的理论值和等效压力与径向位移的解析函数关系计算铠装网套的强度和所分担的内压载荷。
2.根据权利要求1所述的燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特征在于：
步骤4)之后还包括步骤6)：在圆柱坐标系下，根据等效压力及铠装网套与被保护对象之间的接触作用关系，分析铠装网套对燃气软管的轴向摩擦阻力、轴向刚度以及稳定性的影响。
3.根据权利要求2所述的一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特征在于：
所述步骤(1)中铠装网套由多组反向双螺旋金属带编织而成。
4.根据权利要求3所述的一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特征在于：
所述步骤(1)中有限元模型的建立是基于等刚度准则。
5.根据权利要求4所述的一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特征在于：
所述步骤(1)中矩形截面梁单元尺寸为长2.4mm，宽0.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特征在于：
所述步骤(2)中燃气软管整体包括多层波纹管、铠装环和铠装网套；建立燃气软管整体三维周期性有限元模型时，铠装网套与波纹管、铠装环之间需要定义接触关系，通过接触单元和节点自由度耦合模拟部件之间的载荷和位移传递关系。
7.根据权利要求1所述的一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特征在于：
所述步骤(3)中将铠装网套等效为圆柱壳，根据径向变形与周向变形的协调关系，分析铠装网套的周向张应力；还包括根据周向张应力的强度准则，分析铠装网套可分担的最大内压载荷。
8.根据权利要求2所述的一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特征在于：
所述步骤6)中的轴向摩擦阻力变化源于铠装环与铠装网套之间的挤压作用引起的摩擦力，在圆柱坐标系下，摩擦力根据摩擦面上的作用力和摩擦接触面积可计算得到。
9.根据权利要求2所述的一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特征在于：
所述步骤(6)中的轴向刚度变化源于燃气软管弯曲变形时，铠装环与铠装网套之间的挤压作用引起的摩擦力矩，在圆柱坐标系下，摩擦力矩根据接触面上的作用力矩可计算得到。
10.根据权利要求2所述的一种燃气软管反向双螺旋铠装网套增强能力的分析方法，其特征在于：
所述步骤(6)中的稳定性的影响分析参考压杆失稳理论建立，通过轴向刚度的变化来评估铠装网套对整体稳定性的影响关系。
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