CN110501166B - 一种泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，采用两根对称设置在发动机摇摆轴两侧的弹簧模拟波纹管；每根弹簧满足：刚性
Figure DDA0002151629950000011
高度等于波纹管的高度；外缘尺寸直径小于波纹管宽度的一半；行程大于
Figure DDA0002151629950000012
发动机摇摆时产生力矩作用于弹簧产生变形模拟波纹管的变形力矩；本发明研制的金属弹簧直接安装在发动机与机架的接触面，与真实发动机的变形力矩受力点及力臂完全一致，在精确的受力分析及刚度计算下，发动机切摆时弹簧的一侧受拉、一侧受压状态也与波纹管基本等效，使伺服系统的静态、动态特性更加准确、可靠。无需配套其他任何设备，大幅降低研制成本。使用时无需任何操作，也不需要多次试验的等待时间，大幅提高便捷性。

Description

一种泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法
技术领域
本发明涉及一种泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，属于运载火箭控制系统半实物仿真领域。
背景技术
运载火箭飞行时，发动机产生巨大的推力，该力主要作用于转动轴及波纹管，带来摇摆装置的微小形变。在地面试验时，为了模拟飞行时的充气状态，研制一套模拟装置实现摇摆装置微小形变的结构模拟，使伺服系统的静态、动态特性测试及半实物仿真试验更加接近于飞行状态。
当前半实物试验系统一般采用侧向加载的方式模拟发动机偏心力矩及飞行过程中产生的过载力矩，将摇摆装置产生的变形力矩叠加在过载力矩上。该技术存在如下缺陷：(1)高频时误差很大；(2)作为负载发动机本身的特性模拟失真较大。
发明内容
本发明提供一种泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，通过分析发动机摇摆装置的变形力矩，研制一套金属弹簧，当推力室发生切摆时，两个弹簧能同时模拟波纹管的一侧受拉、一侧受压的状态，两个弹簧的变形力矩总和等价于发动机摆角时的波纹管变形力矩。
本发明提供如下技术方案：
提供一种泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，包括：
采用两根对称设置在发动机摇摆轴两侧的弹簧模拟波纹管；
每根弹簧满足：刚性
Figure BDA0002151629930000011
高度等于波纹管的高度；外缘尺寸直径小于波纹管宽度的一半；行程大于
Figure BDA0002151629930000012
发动机摇摆时产生力矩作用于弹簧产生变形模拟波纹管的变形力矩；
其中Mmax为发动机摆角最大时波纹管的变形力矩；Rmax为发动机的最大摆角；rsw为波纹管摆动半径；Lm为每个弹簧的中线距波纹管中线的距离。
优选的，每根弹簧的刚性还满足：
Figure BDA0002151629930000021
其中Climit为允许的波纹管变形度；megn为发动机质量，g为重力加速度。
优选的，所述弹簧两端设置连接部，连接部在圆柱端面加工凹槽，沿周向设置通槽；还设置用于固定两个弹簧两端的扁担装置，扁担装置设置与对称设置两个与所述凹槽形状匹配的凸起，凸起上设置通槽，凸起插入弹簧的凹槽后，插销插入弹簧和扁担装置的通槽进行固定。
优选的，弹簧的一端通过扁担装置安装至喷管，另一端通过扁担装置安装至机架完成固定。
优选的，扁担装置和插销材质为钢。
优选的，插销与扁担装置的接触面为矩形受力面；插销能够承受的压强至少为
Figure BDA0002151629930000022
其中Lwide为弹簧凹槽宽度，Din为弹簧内径。
优选的，弹簧的材质为弹簧钢。
优选的，弹簧的刚度为
Figure BDA0002151629930000023
其中G为弹簧材料的切变模量，Ip为弹簧材料截面极惯性矩，D为弹簧中径，n为有效圈数。
优选的，当弹簧材料截面宽度a大于厚度b时，Ip＝k1ab3；其中k1为固定系数。
优选的，发动机切摆时两个弹簧一个受拉，一个受压。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)更加真实的模拟发动机摇摆装置的变形力矩。现有的模拟方法一般是采用侧向加载的方式模拟偏心力矩及飞行过程中的过载力矩，并叠加摇摆装置的变形力矩，经过测试分析，该方法在低频是模拟效果较好，在高频时误差很大，另外，采用侧向拉伸的方式，作为负载发动机本身的特性模拟失真较大。本发明研制的金属弹簧直接安装在发动机与机架的接触面，与真实发动机的变形力矩受力点及力臂完全一致，在精确的受力分析及刚度计算下，发动机切摆时弹簧的一侧受拉、一侧受压状态也与波纹管基本等效。而使伺服系统的静态、动态特性更加准确、可靠。
(2)更加经济。现有的侧向加载方式需要配置高压油源、强力冷却及测试电脑、软件等多种配套设备。本发明的金属弹簧方案，无需配套其他任何设备，相比现有方法大幅降低研制成本。
(3)更加便捷。现有的侧向加载多次试验时，需要留有足够的冷却时间，且有较多的人员操作。本发明的金属弹簧方案，在发动机安装时直接固定在法兰环上，使用时无需任何操作，也不需要多次试验的等待时间，大幅提高便捷性。
附图说明
图1为负载发动机外观；
图2为定制弹簧组模拟波纹管示意图；
图3为定制弹簧结构示意图；其中(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；
图4为定制弹簧的立体视图，其中螺纹未示出；
图5为扁担装置结构和定制弹簧连接示意图。
具体实施方式
结合图1，一般伺服系统由伺服控制器、负载发动机、发动机机架、摆角测量装置组成，伺服系统静态、动态特性是姿态控制系统设计的重要依据。发动机推力同时作用于波纹管和转动轴，其中，2/3作用在波纹管上，1/3作用在转动轴上，在该推力下，摇摆装置会发生一定的微变形，本发明通过研制金属弹簧的方式模拟该变形力矩，从而使伺服系统的静态、动态特性更加准确、可靠。
本发明的模拟对象为发动机的摇摆装置。本发明要解决的问题是模拟摇摆装置的变形力矩，对发动机摇摆装置进行静态、动态受力分析，计算得到材料的刚度特性，根据刚度研制金属弹簧，并提供安装方案。
首先，对波纹管进行受力分析，静态条件下，摇摆装置要承担megng的静态压力，发动机重量同时作用于转动轴(占比1/3)和波纹管(占比2/3)。采用两根弹簧模拟的方式，每根弹簧受力为
Figure BDA0002151629930000041
假设允许的变形指标为Climit,则选用的弹簧刚性
Figure BDA0002151629930000042
因此，支撑600kg发动机的1mm以内的变形需要的弹簧刚性需大于
Figure BDA0002151629930000043
其次，根据受力分析结果及变形力矩分析需要选用材料的刚性。波纹管发生摆动时，下端被固定，整个管子随着摇摆轴的转动发生一边压缩一边伸长的微变形。当摆角为Rmax限幅时，波纹管的变形力矩为Mmax，波纹管摆动半径为rsw，形变为Lc＝Rmax×rsw。采用两根金属弹簧对称分布在摇摆中心的方案时，一根弹簧拉升，另一根弹簧压缩，共同承担变形力矩。采用图2的模拟方案，单边弹簧的变形力矩为
Figure BDA0002151629930000044
形变为
Figure BDA0002151629930000045
因此，当推力室在伺服机构的推动下发生切向摆动时，按切向方向放置的两个弹簧将分别发生压缩和伸长，由此产生的变形力矩将等价于热试车状态下波纹管所产生的变形力矩。每侧弹簧的中线距波纹管两端法兰的中线为Lm，则单侧弹簧在形变为
Figure BDA0002151629930000046
时所应该产生的负载力Fs为：
Figure BDA0002151629930000047
其刚度必须满足：
Figure BDA0002151629930000048
综合可得，刚度需满足:
Figure BDA0002151629930000049
摇摆轴摆角6°时，变形力矩为10430Nm，摆动半径为15.97cm，每侧弹簧的中线距波纹管两端法兰的中线均为93mm，则弹簧刚度需满足：
Figure BDA0002151629930000051
第三，根据计算得到的刚性进行研制与安装。根据刚度特性研制金属弹簧，模拟充气状态下的变形力矩。根据现有的国家标准GB/T 2089-2009《普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数》，符合上节计算的如此高刚度要求的标准弹簧是没有的，需要定制。图3、4所示弹簧，弹簧高度等于波纹管高度Hbw，单根弹簧外缘直径小于波纹管宽度的一半
Figure BDA0002151629930000052
行程大于最大摆角时波纹管形变的一半，即大于
Figure BDA0002151629930000053
结合图2由于波纹管的外径为320mm，记为Wbw，高度为268mm，记为Hbw，所要研制的每个弹簧的外形必须满足:
a高度等于Hbw；
b外缘尺寸直径小于
Figure BDA0002151629930000054
c行程大于
Figure BDA0002151629930000055
即大于
Figure BDA0002151629930000056
设计图3尺寸的弹簧，按照材料为标准弹簧钢的弹性模量，计算该款弹簧的刚度：其中弹簧材料的切变模量G取值79000，弹簧材料截面宽度a取值42.6mm，厚度b取值24.2mm，k1为固定系数，该系数通过查询《弹簧手册》表15-1可得，经过查表k1取值0.215，计算可得，Ip＝k1ab3＝129805.82，弹簧中径D取值91.4mm，有效圈数n取值2.5圈，弹簧刚度为
Figure BDA0002151629930000057
满足最大摆角所需的刚度。
第四，安装金属弹簧。为了更加牢固的将金属弹簧和法兰环固定，设计扁担装置增加受力面积，如图5示意。发动机摆动时，对接触面施加较大的力，为避免该力使金属弹簧和法兰环脱离，需要增大受力面积，降低压强，因此，设计如图5所示的扁担结构装置，两端置于两个弹簧安装面，采用金属插销固定弹簧与扁担装置。基于此设计，插销与扁担装置的接触面为矩形受力面，长为正视图的弹簧缺口宽度Lwide，宽为俯视图内圆直径Din，面积为S＝Lwide×Din，压强为
Figure BDA0002151629930000061
根据此数据进行插销选型。
当摆角为最大值6°时，压强最大，设计的弹簧缺口宽度为80mm,内圆半径为24.4mm，则压强为
Figure BDA0002151629930000062
插销选用承压能力不低于14363542Pa的金属材料。
发动机摇摆时产生力矩作用于弹簧产生变形模拟波纹管的变形力矩。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，其特征在于，包括：
采用两根对称设置在发动机摇摆轴两侧的弹簧模拟波纹管；
每根弹簧满足：刚性
Figure FDA0002944853790000011
高度等于波纹管的高度；外缘直径小于波纹管宽度的一半；行程大于
Figure FDA0002944853790000012
发动机摇摆时产生力矩作用于弹簧产生变形模拟波纹管的变形力矩；
其中Mmax为发动机摆角最大时波纹管的变形力矩；Rmax为发动机的最大摆角；rsw为波纹管摆动半径；Lm为每个弹簧的中线距波纹管中线的距离。
2.如权利要求1所述的泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，其特征在于：每根弹簧的刚性还满足：
Figure FDA0002944853790000013
其中F为每根弹簧受力；Climit为允许的波纹管变形度；megn为发动机质量，g为重力加速度。
3.如权利要求1或2所述的泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，其特征在于：所述弹簧两端设置连接部，连接部在圆柱端面加工凹槽，沿周向设置通槽；还设置用于固定两个弹簧两端的扁担装置，扁担装置对称设置两个与所述凹槽形状匹配的凸起，凸起上设置通槽，凸起插入弹簧两端设置的连接部的凹槽后，插销插入弹簧两端设置的连接部和扁担装置的通槽进行固定。
4.如权利要求3所述的泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，其特征在于：弹簧的一端通过扁担装置安装至喷管，另一端通过扁担装置安装至机架完成固定。
5.如权利要求3所述的泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，其特征在于：扁担装置和插销材质为钢。
6.如权利要求3所述的泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，其特征在于：插销与扁担装置的接触面为矩形受力面；插销能够承受的压强至少为
Figure FDA0002944853790000021
其中Lwide为弹簧凹槽宽度，Din为弹簧内径。
7.如权利要求3所述的泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，其特征在于：弹簧的材质为弹簧钢。
8.如权利要求1所述的泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，其特征在于：弹簧的刚度为
Figure FDA0002944853790000022
其中G为弹簧材料的切变模量，Ip为弹簧材料截面极惯性矩，D为弹簧中径，n为有效圈数。
9.如权利要求8所述的泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，其特征在于：当弹簧材料截面宽度a大于厚度b时，Ip＝k1ab3；其中k1为固定系数。
10.如权利要求1或2所述的泵后摆发动机充气状态下变形力矩的模拟方法，其特征在于：发动机切摆时两个弹簧一个受拉，一个受压。
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