CN107368629B - 一种减压阀流固耦合振动参数识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种减压阀流固耦合振动参数识别方法，具体过程为：(一)通过三通在减压阀的低压腔、高压腔及调压腔处各布置一个压力传感器；(二)利用各传感器测量减压阀开阀瞬间低压腔、高压腔及调压腔气体的冲击压力信号；(三)采用短时傅里叶变换分析上述压力信号的频率特性；(四)根据所述频率特性和减压阀流固耦合振动有限元模型的模态计算结果，确定减压阀的振动主频率；(五)基于半功率带宽法识别振动主频率处的阻尼比，根据所述阻尼比实现对减压阀振动控制。该方法通过识别减压阀流固耦合振动阻尼比，并依据其可对减压阀进行有效振动控制。

Description

一种减压阀流固耦合振动参数识别方法
技术领域
本发明属于航天工程技术领域，具体涉及一种减压阀流固耦合振动参数识别方法。
背景技术
减压阀是运载火箭地面供气系统中的一个关键单机。减压阀在工作时将气源的高压减低并稳定到所需的压力。当减压阀的进出口压力高、流量大、介质为氦气、氮气和空气等时，减压阀开阀瞬间极易发生流固耦合共振，进而激发整个系统发生强烈共振。由于减压阀振动属于流固耦合振动，其振动机理极其复杂，故识别出反映流固耦合振动特性的振动频率和阻尼比等参数非常困难。
发明内容
本发明的目的是提出一种减压阀流固耦合振动参数识别方法，该方法通过识别减压阀流固耦合振动主频率及其阻尼比，并依据其可对减压阀进行有效振动控制。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种减压阀流固耦合振动参数识别方法，具体过程为：
(一)在减压阀的低压腔、高压腔及调压腔处各布置一个压力传感器；
(二)利用各传感器测量减压阀开阀瞬间低压腔、高压腔及调压腔气体的冲击压力信号；
(三)采用短时傅里叶变换分析上述压力信号的频率特性；
(四)根据所述频率特性和减压阀流固耦合振动有限元模型的模态计算结果，确定减压阀的振动主频率；
(五)基于半功率带宽法识别振动主频率处的阻尼比，根据所述阻尼比实现对减压阀振动控制。
进一步地，本发明通过控制敏感活塞和阀体之间的阻尼比来改变所述振动主频率处的阻尼比，实现对减压阀流固耦合振动控制。
进一步地，本发明所述有限元模型的建立过程为：1)采用实体单元对减压阀进行网格划分；选用气柱弹簧模拟低压腔、高压腔及调压腔所受压力，计算减压阀在各个工况下高压腔、低压腔和调压腔的气柱弹簧刚度；把高压腔气柱弹簧的一端与弹簧座相联，另一端与压盖相联；把低压腔气柱弹簧的一端与减压阀阀体相联，另一端与敏感活塞相联；把调压腔气柱弹簧的一端与减压阀阀盖相联，另一端与敏感活塞相联；2)在敏感活塞与阀体圆柱孔之间设置运动接触副。
有益效果
本发明方法对比已有技术，能够正确识别减压阀流固耦合振动主频率及阻尼比，并根据阻尼比实现对减压阀振动控制，具有快速、简单、方便和正确的效果。
附图说明
图1为本发明振动参数识别方法的流程图；
图2为本发明实施方式的减压阀三个气腔压力传感器布置示意图；
11-调压腔气体压力测点；12-高压腔气体压力测点；13-低压腔气体压力测点；
图3为开阀瞬间减压阀调压腔气体压力信号短时傅里叶变换后，得到的流固耦合振动频率与阻尼比识别结果图；
图4为减压阀流固耦合振动有限元计算模型；
21-调压腔气体等效弹簧；22-敏感活塞；23-低压腔气体等效弹簧；24-阀体；25高压腔气体等效弹簧；26-弹簧座；27-阀芯；
图5为减压阀流固耦合振动第三阶振动模态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。
本发明一种减压阀流固耦合振动参数识别方法，如图1所示，其具体步骤包括：
步骤一、在减压阀试验台架上，通过三通在减压阀的低压腔、高压腔及调压腔处各布置一个压力传感器，如图2所示。传感器压力量程为0-50MPa，精度±0.2％，频响范围5kHz。
步骤二、在减压阀开阀的瞬时，同步测量开阀瞬间低压腔、高压腔及调压腔气体的冲击压力信号P低压腔(t)、P高压腔(t)和P调压腔(t)。
步骤三、采用公式(1)分别对采集得到的减压阀低压腔、高压腔及调压腔气体的冲击压力信号P低压腔(t)、P高压腔(t)和P调压腔(t)进行短时傅里叶变换。
其中调压腔气体压力信号的频域信号为图3所示的3个振动频率，它们分别为：246.696Hz、751.836Hz和1045.52Hz。然后把此结果与下一步有限元计算结果进行对照，选出振动主频率。
Figure BDA0001329307670000031
其中，f表示频率参数，τ表示时间参数，h()表示短时傅里叶变换。
步骤四、建立减压阀流固耦合振动有限元模型，具体做法如下：1)采用实体单元对减压阀进行网格划分；选用气柱弹簧模拟低压腔、高压腔及调压腔所受压力，计算减压阀在各个工况下高压腔、低压腔和调压腔的气柱弹簧刚度；把高压腔气柱弹簧的一端与弹簧座相联，另一端与压盖相联；把低压腔气柱弹簧的一端与减压阀阀体相联，另一端与敏感活塞相联；把调压腔气柱弹簧的一端与减压阀阀盖相联，另一端与敏感活塞相联；2)在敏感活塞与阀体圆柱孔之间设置运动接触副，如图4所示。通过上述方式所建的有限元模型能够准确模拟减压阀的流固耦合特性。
计算减压阀流固耦合振动有限元模型的模态参数，图5是该减压阀流固耦合振动第三阶振型，振型特征为敏感活塞-阀芯-弹簧座-气体弹簧往复运动，其模态频率为251.08Hz；再与步骤三分析调压腔气体振动测试信号得到的三个频率结果进行对比，发现根据调压腔气体动态压力分析得到的第一个振动频率246.696Hz与减压阀流固耦合振动有限元计算的、反映调压腔敏感活塞参与振动的第三阶固有频率251.08Hz非常接近，可以判定振动频率246.696Hz为减压阀开阀瞬间敏感活塞-阀芯-弹簧座-气体弹簧流固耦合振动主频率，且该频率与有限元计算结果的误差只有1.78％。由于低压腔和高压腔的振动频率所带来的影响不大，所以在确定振动主频率时不考虑其影响。
步骤五、根据步骤四的方式确定的振动主频率f1，采用半功率带宽法计算阻尼比，其计算公式为：
Figure BDA0001329307670000041
公式中，B1为半功率带宽，ζ1为阻尼比。
按照公式(2)计算的阻尼比为74.50％。
根据所述阻尼比实现对减压阀主要振动参数识别。
采样本发明可以快速计算出阻尼比，然后使敏感活塞和阀体之间的阻尼比等于上述计算出的阻尼比ζ1，从而实现对减压阀开阀瞬间发生的流固耦合共振的控制。
自此，就完成了/实现了减压阀流固耦合振动主要参数识别。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种减压阀流固耦合振动参数识别方法，其特征在于，具体过程为：
(一)在减压阀的低压腔、高压腔及调压腔处各布置一个压力传感器；
(二)利用各传感器测量减压阀开阀瞬间低压腔、高压腔及调压腔气体的冲击压力信号；
(三)采用短时傅里叶变换分析上述压力信号的频率特性；
(四)根据所述频率特性和减压阀流固耦合振动有限元模型的模态计算结果，确定减压阀的振动主频率；
(五)基于半功率带宽法识别振动主频率处的阻尼比，根据所述阻尼比实现对减压阀振动控制；
所述有限元模型的建立过程为：1)采用实体单元对减压阀进行网格划分；选用气柱弹簧模拟低压腔、高压腔及调压腔所受压力，计算减压阀在各个工况下高压腔、低压腔和调压腔的气柱弹簧刚度；把高压腔气柱弹簧的一端与弹簧座相联，另一端与压盖相联；把低压腔气柱弹簧的一端与减压阀阀体相联，另一端与敏感活塞相联；把调压腔气柱弹簧的一端与减压阀阀盖相联，另一端与敏感活塞相联；2)在敏感活塞与阀体圆柱孔之间设置运动接触副。
2.根据权利要求1所述减压阀流固耦合振动参数识别方法，其特征在于，通过控制敏感活塞和阀体之间的阻尼比与所述振动主频率处的阻尼比相同，来实现对减压阀振动控制。
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