CN110929442A - 基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法及系统，涉及设备质量评估领域，该方法包括基于喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，确定喷管内部的燃气温度、压力分布，并将其作为喷管热应力计算的初始荷载；建立喷管的扩张段有限元几何模型，仿真计算得到喷管不同时刻的温度场和应力场；基于仿真计算得到的喷管不同时刻的温度场和应力场，获取每次仿真计算得到的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移；根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度。本发明能够定量评估产品的可靠度。
Description
技术领域
本发明涉及设备质量评估领域，具体涉及一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法及系统。
背景技术
液体火箭发动机是新一代航天运载器的关键组成部分，其中的喷管作为发动机的动力转换装置又是液体火箭发动机的关键组成部分。液体火箭发动机喷管(简称液发喷管)结构复杂、工作环境恶劣，工作期间需要承受较高的工作压强和燃气温度，其结构可靠性和热防护可靠性的高低直接关系到新型液发研制的成败。由于液体火箭发动机喷管成本大、实物试验少，难以依靠过去基于概率统计的分析方法以及大量实物试验来对其薄弱环节、可靠度等进行分析评估。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法，能够定量评估产品的可靠度。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
基于喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，确定喷管内部的燃气温度、压力分布，并将其作为喷管热应力计算的初始荷载；
建立喷管的扩张段有限元几何模型，并添加初始荷载和喷管材料属性，仿真计算得到喷管不同时刻的温度场和应力场；
基于仿真计算得到的喷管不同时刻的温度场和应力场，获取每次仿真计算得到的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移；
根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度。
在上述技术方案的基础上，所述喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，具体为：
其中，T表示燃气温度，P表示压强，M表示燃气的马赫数，T0表示燃气总温，k表示比热比，P0表示燃气总压，A表示喷管任一截面的面积，Acr表示喷管临界截面积。
在上述技术方案的基础上，所述喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移均与喷管材料密度、喷管材料比热容、喷管材料导热率、喷管扩张比、喷管壁厚、喷管入口半角/出口半角、喷管初始温度和环境压力有关。
在上述技术方案的基础上，所述喷管属性极限值包括喷管材料防热极限值、喷管材料结构强度极限值和喷管材料变形极限值。
在上述技术方案的基础上，所述根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度，其中计算得到喷管的工作可靠度，计算公式为：
其中，R表示喷管的工作可靠度，N表示仿真总次数，n表示仿真中满足满足h(t)＜Tmax&q(pa)＜Fmax&u(l)＜Lmax的次数，h(t)表示喷管工作最大温度，q(pa)表示喷管最大工作压强，u(l)表示喷管最大形变位移，Tmax表示喷管材料防热极限值，Fmax表示喷管材料结构强度极限值， Lmax，表示喷管材料变形极限值，&表示数学关系中的且。
本发明提供的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估系统，包括：
确定模块，其用于基于喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，确定喷管内部的燃气温度、压力分布，并将其作为喷管热应力计算的初始荷载；
第一计算模块，其用于建立喷管的扩张段有限元几何模型，并添加初始荷载和喷管材料属性，仿真计算得到喷管不同时刻的温度场和应力场；
获取模块，其用于基于计算模块仿真计算得到的喷管不同时刻的温度场和应力场，获取每次仿真计算得到的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移；
第二计算模块，其用于根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度。
在上述技术方案的基础上，所述喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，具体为：
其中，T表示燃气温度，P表示压强，M表示燃气的马赫数，T0表示燃气总温，k表示比热比，P0表示燃气总压，A表示喷管任一截面的面积，Acr表示喷管临界截面积。
在上述技术方案的基础上，所述喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移均与喷管材料密度、喷管材料比热容、喷管材料导热率、喷管扩张比、喷管壁厚、喷管入口半角/出口半角、喷管初始温度和环境压力有关。
在上述技术方案的基础上，所述喷管属性极限值包括喷管材料防热极限值、喷管材料结构强度极限值和喷管材料变形极限值。
在上述技术方案的基础上，所述根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度，其中计算得到喷管的工作可靠度，计算公式为：
其中，R表示喷管的工作可靠度，N表示仿真总次数，n表示仿真中满足满足h(t)＜Tmax&q(pa)＜Fmax&u(l)＜Lmax的次数，h(t)表示喷管工作最大温度，q(pa)表示喷管最大工作压强，u(l)表示喷管最大形变位移，Tmax表示喷管材料防热极限值，Fmax表示喷管材料结构强度极限值， Lmax，表示喷管材料变形极限值，&表示数学关系中的且。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过构建喷管数字样机模型，输入产品设计、环境、工作载荷等参数，根据仿真结果定性分析出产品的敏感应力和可能存在的设计薄弱环节，通过选取多组仿真输入参数，进而能够根据仿真结果深入分析设计、工作、环境载荷等参数与故障机理对应的极限应力之间的数学关系，通过分析得出的关系就能够定量评估产品的可靠度，还能进一步通过调整参数分析设计参数对于喷管可靠度的敏感性，进而指导优化设计，定量提升喷管可靠度。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法，通过构建产品数字样机，输入材料参数、环境和工作载荷，根据仿真结果分析产品的敏感应力和故障机理，在分析应力与产品设计参数之间的对应关系的基础上，形成了一种基于故障物理的喷管可靠性评估方法。本发明实施例相应地还提供了一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估系统。以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
基于故障物理的可靠性仿真、试验是可靠性产品设计师了解产品性能的一个很好途径，通过构建产品数字样机，针对产品用户方提出产品性能指标(包括可靠性指标)，研究产品全寿命剖面内经历的所有环节、工作条件，转化为仿真输入条件，开展仿真试验。并基于仿真试验的结果，有针对性的开展实物试验，能够快速有效的找到产品薄弱环节，提出操作性强的设计改进措施，切实提升产品可靠性。
在分析故障时，像运载器这样的大系统出现一个故障时可以认为其具有随机性，但定位到具体位置，如液发喷管，就不能认为其具有偶然性了，其发生故障必定是由于设计、工艺缺陷或者外部载荷变化所致，也就是内因、外因或者两者综合作用所导致产品失效。
通过从内因、外因这两个根本因素去分析喷管故障产生的原因，能够顺利的找到故障发生的内在机理，进而深层次的去分析产品诸多设计参数、产品环境、工作载荷与故障可能存在的内在联系。
参见图1所示，本发明实施例提供的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法，包括以下步骤：
S1：基于喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，确定喷管内部的燃气温度、压力分布，并将其作为喷管热应力计算的初始荷载。
喷管在工作过程中，燃气在喷管内不断加速，燃气在喷管中的流动过程中，温度和压强不断下降，在发动机工作整个过程中，燃气的温度和压强也是随时间变化的。为了简化计算，可以假设燃气流动是稳态的，燃气在喷管内流动是等熵的，即为一维等熵流，故本发明实施例中，喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，具体为：
其中，T表示燃气温度，P表示压强，M表示燃气的马赫数，T0表示燃气总温，k表示比热比，P0表示燃气总压，A表示喷管任一截面的面积，Acr表示喷管临界截面积。
即根据燃气温度、压强和燃气马赫数三者间满足的关系，每次选取一组数据作为喷管热应力计算的初始荷载，输入到后续的建立的喷管扩张段有限元几何模型中。例如，对于选取的一组数据，发动机燃烧室温度可以按3450K，压力按4MPa取值，工作时间120s，计算载荷覆盖了喷管的各项工作状态，同时考虑发动机身部再生冷却的作用，法兰连接处温度可以按1000K取值。
S2：建立喷管的扩张段有限元几何模型，并添加初始荷载和喷管材料属性，仿真计算得到喷管不同时刻的温度场和应力场；
本发明实施例中在进行仿真计算时，喷管的材料选为C/SiC(碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料)，C/SiC材料的基本属性参见下表1 所示：
表1
本发明实施例中在进行仿真计算时，液发喷管的结构参数参见下表2所示：
表2
本发明实施例中在进行仿真计算时，液发喷管工作环境工作载荷条件参见下表3所示：
表3
| 名称 | 初始温度 | 环境压力 |
| 数值 | 20℃ | 0 |
通过仿真，计算得到喷管不同时刻的温度场，在实际的仿真过程中，从仿真计算结果看，初始的最高温度点发生在喷管入口边缘，随着喷管继续工作，最高温度点沿内壁面向后推移，大约发生在离喷管入口轴向距离50mm的内壁面处，此处即为产品的设计薄弱环节，应重点考虑此处的可靠性。喷管工作时最大应力点发生在法兰面和喷管连接处外侧，大小为14.273MPa。喷管变形量很小，最大位移位置发生在喷管出口边缘处，大小为0.021828mm。因此，法兰面和喷管连接处外侧和喷管出口边缘为产品的薄弱环节。
液发喷管工作可靠性为其在飞行阶段规定的工作时间内、工作条件下无故障工作的能力。在上述分析了其工作特点和环境载荷的基础上，其受的主要应力为温度和力学应力，因此喷管的防热可靠性和结构可靠性是其工作可靠性的最重要两个方面，通过仿真分析计算喷管工作时的防热可靠度和结构可靠度，这两个指标参数能够较为真实的反映产品的可靠性水平。
S3：基于仿真计算得到的喷管不同时刻的温度场和应力场，获取每次仿真计算得到的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移；
本发明实施例中，所选喷管材料为C/SiC，C/SiC材料可以在不高于1650℃下长时间工作，故设置该材料能够承受1923K以下的温度。在实际的仿真操作中，由仿真结果可知温度应力最高温度位置在出口边缘处，大小为1883.4K，小于耐温极限值，因此本发明实施例中设置的喷管设计参数和工作、环境参数条件下，喷管的防热可靠性满足要求。
同时在实际的仿真操作中，液发喷管在设置的设计、工作、环境参数以及仿真得到温度应力条件下，最大应力点发生在法兰面和喷管连接处外侧，大小为14.273MPa，喷管最大位移点发生在喷管出口边缘位置，大小为0.021828mm，其力学应力、位移值分别小于设计工作极限300MPa和0.1mm。因此在上述设置的喷管设计参数和工作、环境参数条件下，喷管的结构可靠性满足要求。同样，由于喷管结构可靠性与诸多参数有关，各个实际产品之间力学极限也不尽相同，也存在个别产品结构可靠性不满足设计要求的可能性。
且需要说明的是，本发明实施例中，喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移均与喷管材料密度、喷管材料比热容、喷管材料导热率、喷管扩张比、喷管壁厚、喷管入口半角/出口半角、喷管初始温度和环境压力有关。
S4：根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度。
本发明实施例中，喷管属性极限值包括喷管材料防热极限值、喷管材料结构强度极限值和喷管材料变形极限值。根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度，其中计算得到喷管的工作可靠度，计算公式为：
其中，R表示喷管的工作可靠度，N表示仿真总次数，n表示仿真中满足满足h(t)＜Tmax&q(pa)＜Fmax&u(l)＜Lmax的次数，h(t)表示喷管工作最大温度，q(pa)表示喷管最大工作压强，u(l)表示喷管最大形变位移，Tmax表示喷管材料防热极限值，Fmax表示喷管材料结构强度极限值， Lmax，表示喷管材料变形极限值，&表示数学关系中的且。
本发明实施例的基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法，通过构建喷管数字样机模型，输入产品设计、环境、工作载荷等参数，根据仿真结果定性分析出产品的敏感应力和可能存在的设计薄弱环节，通过选取多组仿真输入参数，进而能够根据仿真结果深入分析设计、工作、环境载荷等参数与故障机理对应的极限应力之间的数学关系，通过分析得出的关系就能够定量评估产品的可靠度，还能进一步通过调整参数分析设计参数对于喷管可靠度的敏感性，进而指导优化设计，定量提升喷管可靠度。
以下结合一具体仿真数据来对本发明实施例的液发液发喷管可靠性评估方进行说明。仿真实验数据参见下表4所示：
表4
可以看出，通过选取仿真输入参数，经过50000次仿真试验，满足要求的有49886次，因此可以得出材料为C/SiC时，液发喷管工作可靠度仿真结果为0.998。
本发明实施例提供的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估系统，包括确定模块、第一计算模块、获取模块和第二计算模块。
确定模块用于基于喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，确定喷管内部的燃气温度、压力分布，并将其作为喷管热应力计算的初始荷载；第一计算模块用于建立喷管的扩张段有限元几何模型，并添加初始荷载和喷管材料属性，仿真计算得到喷管不同时刻的温度场和应力场；获取模块用于基于计算模块仿真计算得到的喷管不同时刻的温度场和应力场，获取每次仿真计算得到的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移；第二计算模块用于根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度。
喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，具体为：
其中，T表示燃气温度，P表示压强，M表示燃气的马赫数，T0表示燃气总温，k表示比热比，P0表示燃气总压，A表示喷管任一截面的面积，Acr表示喷管临界截面积。
喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移均与喷管材料密度、喷管材料比热容、喷管材料导热率、喷管扩张比、喷管壁厚、喷管入口半角/出口半角、喷管初始温度和环境压力有关。喷管属性极限值包括喷管材料防热极限值、喷管材料结构强度极限值和喷管材料变形极限值。
根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度，其中计算得到喷管的工作可靠度，计算公式为：
其中，R表示喷管的工作可靠度，N表示仿真总次数，n表示仿真中满足满足h(t)＜Tmax&q(pa)＜Fmax&u(l)＜Lmax的次数，h(t)表示喷管工作最大温度，q(pa)表示喷管最大工作压强，u(l)表示喷管最大形变位移，Tmax表示喷管材料防热极限值，Fmax表示喷管材料结构强度极限值， Lmax，表示喷管材料变形极限值，&表示数学关系中的且。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，确定喷管内部的燃气温度、压力分布，并将其作为喷管热应力计算的初始荷载；
建立喷管的扩张段有限元几何模型，并添加初始荷载和喷管材料属性，仿真计算得到喷管不同时刻的温度场和应力场；
基于仿真计算得到的喷管不同时刻的温度场和应力场，获取每次仿真计算得到的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移；
根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度。
2.如权利要求1所述的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法，其特征在于，所述喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，具体为：
其中，T表示燃气温度，P表示压强，M表示燃气的马赫数，T0表示燃气总温，k表示比热比，P0表示燃气总压，A表示喷管任一截面的面积，Acr表示喷管临界截面积。
3.如权利要求1所述的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法，其特征在于：所述喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移均与喷管材料密度、喷管材料比热容、喷管材料导热率、喷管扩张比、喷管壁厚、喷管入口半角/出口半角、喷管初始温度和环境压力有关。
4.如权利要求1所述的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法，其特征在于：所述喷管属性极限值包括喷管材料防热极限值、喷管材料结构强度极限值和喷管材料变形极限值。
5.如权利要求4所述的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法，其特征在于：所述根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度，其中计算得到喷管的工作可靠度，计算公式为：
其中，R表示喷管的工作可靠度，N表示仿真总次数，n表示仿真中满足满足h(t)＜Tmax&q(pa)＜Fmax&u(l)＜Lmax的次数，h(t)表示喷管工作最大温度，q(pa)表示喷管最大工作压强，u(l)表示喷管最大形变位移，Tmax表示喷管材料防热极限值，Fmax表示喷管材料结构强度极限值，Lmax，表示喷管材料变形极限值，&表示数学关系中的且。
6.一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估系统，其特征在于，包括：
确定模块，其用于基于喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，确定喷管内部的燃气温度、压力分布，并将其作为喷管热应力计算的初始荷载；
第一计算模块，其用于建立喷管的扩张段有限元几何模型，并添加初始荷载和喷管材料属性，仿真计算得到喷管不同时刻的温度场和应力场；
获取模块，其用于基于计算模块仿真计算得到的喷管不同时刻的温度场和应力场，获取每次仿真计算得到的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移；
第二计算模块，其用于根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度。
7.如权利要求6所述的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估系统，其特征在于，所述喷管任一截面上的燃气温度、压强和燃气马赫数的关系，具体为：
其中，T表示燃气温度，P表示压强，M表示燃气的马赫数，T0表示燃气总温，k表示比热比，P0表示燃气总压，A表示喷管任一截面的面积，Acr表示喷管临界截面积。
8.如权利要求6所述的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估系统，其特征在于：所述喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移均与喷管材料密度、喷管材料比热容、喷管材料导热率、喷管扩张比、喷管壁厚、喷管入口半角/出口半角、喷管初始温度和环境压力有关。
9.如权利要求6所述的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估系统，其特征在于：所述喷管属性极限值包括喷管材料防热极限值、喷管材料结构强度极限值和喷管材料变形极限值。
10.如权利要求9所述的一种基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估系统，其特征在于：所述根据仿真次数、喷管属性极限值，以及每次仿真计算时获取的喷管工作最大温度、喷管最大工作压强和喷管最大形变位移，计算得到喷管的工作可靠度，其中计算得到喷管的工作可靠度，计算公式为：
其中，R表示喷管的工作可靠度，N表示仿真总次数，n表示仿真中满足满足h(t)＜Tmax&q(pa)＜Fmax&u(l)＜Lmax的次数，h(t)表示喷管工作最大温度，q(pa)表示喷管最大工作压强，u(l)表示喷管最大形变位移，Tmax表示喷管材料防热极限值，Fmax表示喷管材料结构强度极限值，Lmax，表示喷管材料变形极限值，&表示数学关系中的且。
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| CN201911205370.8A Pending CN110929442A (zh) | 2019-11-29 | 2019-11-29 | 基于故障物理的液发液发喷管可靠性评估方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110929442A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112561147A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-03-26 | 浙江省特种设备科学研究院 | 一种薄壁钢管爆破压力预测方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011027493A (ja) * | 2009-07-23 | 2011-02-10 | Toshiba Corp | 配管の破壊評価装置、方法、及びプログラム |
| CN103559418A (zh) * | 2013-11-20 | 2014-02-05 | 北京航空航天大学 | 一种基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法 |
| CN105138770A (zh) * | 2015-08-24 | 2015-12-09 | 中国航天标准化研究所 | 基于间接可靠性特征量的航天产品可靠性仿真评估方法 |
| CN109783970A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-05-21 | 北京航空航天大学 | 面向电子产品可靠性仿真分析的高效简易热分析方法 |
-
2019
- 2019-11-29 CN CN201911205370.8A patent/CN110929442A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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| 韩礼等: "固体火箭发动机喷管热防护设计", 《计算机辅助工程》 * |
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| CN112561147A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-03-26 | 浙江省特种设备科学研究院 | 一种薄壁钢管爆破压力预测方法 |
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