CN106383964B - 一种悬挂式充液贮箱动力学建模方法 - Google Patents

Abstract

一种悬挂式充液贮箱动力学建模方法，属于航天器动力学建模分析领域。采用“壳+梁+集中质量点单元”悬挂式充液贮箱建模方法，与支撑边界相连的贮箱部段采用壳单元模拟，其它贮箱部段采用梁单元模拟，另外为保证实际贮箱充压后具有较大的刚度，在壳单元上下端面建立多点约束RBE2以加强贮箱刚度，液体按照质心一致的方法，采用离散的集中质量单元附在相应位置的梁单元上。与传统的“梁单元”、“壳单元”相比，本发明结合了不同单元的优点，一方面不改变贮箱与主结构间连接刚度，同时兼顾了与贮箱相关的局部模态及特征点峰值响应，获得的模态及动力学响应预示值与试验值的一致性更好。

Description

一种悬挂式充液贮箱动力学建模方法

技术领域：

本发明涉及一种悬挂式充液贮箱动力学建模方法，属于航天器动力学建模分析领域。

背景技术：

对于航天器大尺寸/非承力式充液贮箱，充液贮箱一般是通过自身支耳或端框与主结构支座相连，推进剂质量往往占起飞质量的40％甚至更多，因此，充液贮箱对航天器组合体整体和局部的模态影响较大，有时可达50％～60％以上；同时受安装方式限制，充液贮箱分支与主结构传力路线之间可能存在一定的偏置或悬臂，使得充液贮箱及其连接的液路导管振动环境较为恶劣。工程上一般采用有限元建模的方法对充液贮箱模态和动力学响应进行模拟，以获取飞行器飞行过程中的频率、振型及加速度响应，提高载荷和力学环境的预示精度，为飞行器结构强度校核、单机力学环境试验提供依据。

传统的充液贮箱建模方法包括：

a)“梁+集中质量点单元”。贮箱结构采用梁单元+集中质量点单元分别模拟刚度和质量，液体采用离散的集中质量点单元并附在相应的梁节点上，见图1中(a)所示。此种方法多用于运载火箭长细比较大的承力式贮箱。

b)“壳+非结构质量点单元”。贮箱结构采用壳单元，液体采用非结构质量单元并附在浸湿的贮箱壁壳单元上，见图1中(b)所示。此种方法多用于航天器、上面级长细比较小的悬挂式贮箱。

第一种方法采用梁单元建模，人为刚化了贮箱与主结构间连接，充液贮箱局部频率计算值高于试验值较多，建模不准确可能导致单机力学环境预示值偏低，不能覆盖飞行环境。此方法主要适用于运载火箭长细比较大的承力式贮箱，此时充液贮箱局部模态并不显著。

第二种方法采用壳单元建模，对贮箱连接刚度模拟较为准确，但由于贮箱壳模型呼吸模态影响，使得贮箱前后底归一化振型值与试验值差别较大，且广义质量计算值偏高。

同时，由POGO稳定分析可知，POGO稳定裕度与结构纵向模态参数中的广义质量、纵向频率、结构实际模态阻尼比密切相关。当模态阻尼不变时，广义质量值增大、液路与结构频率错开较多均使得稳定裕度增加。即采用以上两种方法，将使得POGO稳定分析裕度的估算值好于实际飞行状态，可能使飞行处于危险状态。

发明内容：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种悬挂式充液贮箱动力学建模方法，不改变贮箱与主结构间连接刚度，同时兼顾了贮箱分支模态、贮箱前后底及法兰处加速度响应，获得的模态及动力学响应预示值与试验值的一致性更好。

本发明的技术解决方案是：一种悬挂式充液贮箱动力学建模方法，其包括如下步骤：

S01：按贮箱内型面尺寸，建立贮箱结构的点、线和面几何模型，其中点位于贮箱中心轴线上，线位于贮箱中心轴线上；

S02：对贮箱支耳所在圆周上下各H范围内的贮箱筒段及贮箱支耳划分壳单元，对连接贮箱与航天器的支座划分壳单元，并通过共节点连接方式连接贮箱支耳与支座，H不小于贮箱支耳径向长度；

S03：在除S02确定的壳单元以外区域，将S01中的线进行梁单元网格划分，对梁单元进行刚度特性模拟，不进行质量特性模拟；

S04：将梁单元节点和与梁单元高度相同的壳单元节点相连，并采用多点约束RBE2将梁单元节点作为主节点，将壳单元节点作为从节点，且梁单元节点和壳单元节点六个自由度保持一致；

S05：将梁单元划分为N段，在每段的上下端面节点位置处建立集中质量点单元，得到悬挂式充液贮箱动力学模型；

S06：对SO5得到的模型进行模态分析和动力学响应分析，得到峰值频率、振型斜率、广义质量、峰值加速度响应的数值计算结果。

所述步骤S03中对梁单元进行刚度特性模拟，不进行质量特性模拟的实现方法如下：

设梁单元材料的密度为零；梁的截面取环形，且截面内半径与贮箱内型面几何尺寸一致，其中截面外半径-截面内半径＝贮箱壁厚。

所述步骤S05中集中质量点单元的建模方法如下：

第i段梁单元对应的贮箱筒段I的质量和质心位置与实际结构一致，第i段上、下端面集中质量点单元的确定方法如下：

M＝M1+M2，M1*L1＝M2*(L-L1)

其中，M为贮箱筒段I的质量，L为贮箱筒段I的高度，L1为贮箱筒段I的质心与第i段上端面的距离，L2为贮箱筒段I的质心与第i段下端面的距离，M1、M2分别为第i段上、下端面集中质量点单元的质量，所述贮箱筒段I的质量包括贮箱筒段I的结构质量和存储液体质量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提出一种“壳+梁+集中质量点单元”的悬挂式充液贮箱建模方法，与支撑边界相连的贮箱部段采用壳单元模拟，其它贮箱部段采用梁单元模拟，液体采用离散的集中质量单元附在相应位置的梁单元上。与传统的“梁单元”、“壳单元”相比，本发明结合了不同单元的优点，一方面不改变贮箱与主结构间连接刚度，同时兼顾了贮箱分支模态、贮箱前后底及法兰处加速度响应，获得的模态及动力学响应预示值与试验值的一致性更好。

(2)在壳单元上下端面建立多点约束RBE2一方面加强贮箱刚度，另一方面便于梁单元与壳单元的连接。

附图说明：

图1为传统方法进行充液贮箱建模示意图，其中(a)为梁单元+集中质量点单元的建模示意图，(b)为壳单元+非结构质量单元的建模示意图；

图2为利用本发明方法对某充液贮箱建模及计算结果示意图，其中(a)为充液贮箱有限元模型示意图，(b)为纵向频响计算值与试验值对比图；

图3为本发明方法流程图。

具体实施方式：

为了得到更好的模态及动力学响应预示值，本发明提出一种“壳+梁+集中质量点单元”悬挂式充液贮箱建模方法，如图1所示，包括以下步骤：

S01：按贮箱内型面尺寸，建立贮箱结构的点、线和面几何模型，其中点位于贮箱中心轴线上，线位于贮箱中心轴线上。

S02：应用圣维南原理，对贮箱支耳所在圆周上下各H范围内的贮箱筒段及贮箱支耳划分壳单元，以消除边界效应影响、确保较为合理的连接刚度模拟。H不小于贮箱支耳径向长度，一般取100mm。对连接贮箱支耳与航天器的支座划分壳单元，并通过共节点连接方式连接贮箱支耳与支座。

S03：在除S02确定的壳单元以外区域，将S01中的线进行梁单元网格划分，对梁单元进行刚度特性模拟，不进行质量特性模拟。即设梁单元材料的密度近似为零，一般为10^{- 7}kg/m³；梁的截面取环形，且截面内半径与贮箱内型面几何尺寸一致，其中截面外半径-截面内半径＝贮箱壁厚。

S04：将梁单元节点和与梁单元高度相同的壳单元节点相连，由于实际贮箱充压后具有较大的刚度(近似满足平截面假设)，而壳有限元模型的边界无法体现，因此需在壳单元的上下端面建立多点约束RBE2，以加强壳模型的贮箱刚度。具体为：采用多点约束RBE2将梁单元节点作为主节点，将壳单元节点作为从节点，且梁单元节点和壳单元节点六个自由度保持一致。

S05：将梁单元划分为N段，在每段的上下端面节点位置处建立集中质量点单元，得到悬挂式充液贮箱动力学模型。

其中，第i段梁单元对应的贮箱筒段I的质量和质心位置与实际结构一致，第i段上、下端面集中质量点单元的确定方法如下：

M＝M1+M2，M1*L1＝M2*(L-L1)

上式中，M为贮箱筒段I的质量，L为贮箱筒段I的高度，L1为贮箱筒段I的质心与第i段上端面的距离，L2为贮箱筒段I的质心与第i段下端面的距离，M1、M2分别为第i段上、下端面集中质量点单元的质量，所述贮箱筒段I的质量包括贮箱筒段I的结构质量和存储液体质量。

S06：对SO5得到的模型进行模态分析和动力学响应分析，得到贮箱局部及航天器整体的峰值频率、振型斜率、广义质量、峰值加速度响应的数值计算结果。

本发明采用“壳+梁+集中质量点单元”悬挂式充液贮箱建模方法，与支撑边界相连的贮箱部段采用壳单元模拟，其它贮箱部段采用梁单元模拟，液体按照质心一致的方法，采用离散的集中质量单元附在相应位置的梁单元上。与传统的“梁单元”、“壳单元”相比，本发明结合了不同单元的优点，一方面不改变贮箱与主结构间连接刚度，同时兼顾了与贮箱相关的局部模态及特征点峰值响应。

采用本发明方法对某悬挂液体贮箱进行动力学建模，得到的有限元模型如图2中(a)所示，经过纵向频率及频响分析计算验证，本发明方法得到的模态及动力学响应预示值与试验值的一致性更好。以纵向频率为例，纵向频率响应的计算值与试验值的对比图如图2中(b)所示。利用本发明方法与传统方法建模得到的纵向频率及归一化振型对比表如表1所示。可知“壳+梁+集中质量点单元”方法的纵向频率、贮箱底归一化振型及加速度响应更接近试验值。同时广义质量值远低于“壳+非结构质量单元”状态，使得POGO稳定分析裕度的估算值与实际飞行状态更为接近，提高飞行可靠性。

表1不同建模方法得到的纵向频率及归一化振型对比表(模态阻尼比1％)

利用本发明方法指导设计，有助于提高箭上单机力学环境设计精细化程度，可进一步推广到运载和航天器等型号大质量悬挂单机设计中，以提高飞行可靠性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种悬挂式充液贮箱动力学建模方法，其特征在于包括如下步骤：

S01：按贮箱内型面尺寸，建立贮箱结构的点、线和面几何模型，其中点位于贮箱中心轴线上，线位于贮箱中心轴线上；

S02：对贮箱支耳所在圆周上下各H范围内的贮箱筒段及贮箱支耳划分壳单元，对连接贮箱与航天器的支座划分壳单元，并通过共节点连接方式连接贮箱支耳与支座，H不小于贮箱支耳径向长度；

S03：在除S02确定的壳单元以外区域，将S01中的线进行梁单元网格划分，对梁单元进行刚度特性模拟，不进行质量特性模拟；

S04：将梁单元节点和与梁单元高度相同的壳单元节点相连，并采用多点约束RBE2将梁单元节点作为主节点，将壳单元节点作为从节点，且梁单元节点和壳单元节点六个自由度保持一致；

S05：将梁单元划分为N段，在每段的上下端面节点位置处建立集中质量点单元，得到悬挂式充液贮箱动力学模型；

集中质量点单元的建模方法如下：

第i段梁单元对应的贮箱筒段I的质量和质心位置与实际结构一致，第i段上、下端面集中质量点单元的确定方法如下：

M＝M1+M2，M1*L1＝M2*(L-L1)

其中，M为贮箱筒段I的质量，L为贮箱筒段I的高度，L1为贮箱筒段I的质心与第i段上端面的距离，L2为贮箱筒段I的质心与第i段下端面的距离，M1、M2分别为第i段上、下端面集中质量点单元的质量，所述贮箱筒段I的质量包括贮箱筒段I的结构质量和存储液体质量；

S06：对SO5得到的模型进行模态分析和动力学响应分析，得到峰值频率、振型斜率、广义质量、峰值加速度响应的数值计算结果。

2.根据权利要求1所述的一种悬挂式充液贮箱动力学建模方法，其特征在于：所述步骤S03中对梁单元进行刚度特性模拟，不进行质量特性模拟的实现方法如下：

设梁单元材料的密度为零；梁的截面取环形，且截面内半径与贮箱内型面几何尺寸一致，其中截面外半径-截面内半径＝贮箱壁厚。