CN112395796B - 考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法 - Google Patents

考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，属于运载火箭蓄压器寿命分析领域；考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，主要采用声学单元建立蓄压器膜盒在膜盒内充气体、膜盒外充满推进剂液体的复杂工作环境下的有限元模型，通过有限元分析，获得膜盒结构的模态频率特性，以及振动载荷作用下膜盒结构的动态应力功率谱响应，然后结合损伤模型和材料S‑N曲线，计算蓄压器膜盒结构的疲劳寿命；本发明实现了对液体运载火箭输送管路中的蓄压器膜盒结构在气液固耦合的复杂环境下受振动载荷作用时的疲劳寿命进行有效的分析评估。

Description

考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法
技术领域
本发明属于运载火箭蓄压器寿命分析领域，涉及考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法。
背景技术
蓄压器主要应用于运载火箭的输送管路系统，主要起抑制液体火箭纵向POGO振动的作用。蓄压器中起主要作用的是其中的金属膜盒，在工作过程中，随着输送系统管路内推进剂的压力变化而产生拉伸压缩运动。同时由于箭上力学环境条件恶劣，蓄压器膜盒在发动机振动载荷作用下，会产生弯曲、拉压等多种振动响应。由于蓄压器膜盒内部充气体，外部处于液体推进剂环境中，其在振动载荷作用下的振动模态特性复杂、振动疲劳寿命评估尤为重要，而目前并没有准确的针对蓄压器疲劳寿命的分析方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，实现了对液体运载火箭输送管路中的蓄压器膜盒结构在气液固耦合的复杂环境下受振动载荷作用时的疲劳寿命进行有效的分析评估。
本发明解决技术的方案是：
考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，包括如下步骤：
步骤一、建立蓄压器膜盒的有限元分析模型；包括蓄压器壳体和2个膜盒组件；每个膜盒组件包括膜盒、导向杆及盖盘、膜盒底盘、膜盒内气体、液体推进剂和膜盒壳体；其中，膜盒内气体和液体推进剂采用声学单元模拟；膜盒采用壳单元模拟；蓄压器壳体、导向杆及盖盘和膜盒底盘采用实体单元模拟；
步骤二、设定蓄压器壳体、膜盒、导向杆及盖盘、膜盒底盘、膜盒内气体、液体推进剂和膜盒壳体的材料属性；
步骤三、将蓄压器壳体与膜盒之间、蓄压器壳体与液体推进剂之间、膜盒与导向杆及盖盘之间、膜盒与膜盒底盘之间、膜盒内壁与膜盒内气体之间、膜盒外壁与液体推进剂之间、膜盒与膜盒壳体之间均设置粘接关系；
步骤四、设置蓄压器壳体的边界条件；设置导向杆及盖盘与膜盒壳体通孔接触部位的边界条件；设置膜盒的载荷条件；
步骤五、搭建与蓄压器膜盒的有限元分析模型一致的蓄压器膜盒实物，对蓄压器膜盒实物进行模态试验，获得蓄压器膜盒实物在气液耦合作用下的实际模态数据、频率数据和阻尼数据；
步骤六、根据实际模态数据、频率数据和阻尼数据，对蓄压器膜盒的有限元分析模型的边界条件进行修改，实现蓄压器膜盒有限元分析模型经解算后的模态数据、频率数据和阻尼数据与实际模态数据、频率数据和阻尼数据相同；
步骤七、在疲劳分析软件的材料设置模块中输入膜盒材料S-N疲劳曲线数据；在载荷设置模块中输入振动激励条件；在分析模块中选择分析类型；解算获得蓄压器膜盒有限元分析模型在不同振动激励条件下的疲劳损伤值；
步骤八、根据疲劳损伤值，判断蓄压器膜盒有限元分析模型是否满足设计要求。
在上述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，所述步骤一中，所述蓄压器壳体为轴向水平放置的中空结构；蓄压器壳体的轴向两端设置有开口与中空内腔连通；2个膜盒组件分别设置在蓄压器壳体的轴向两端，且与蓄压器壳体的两个开口对接；其中，膜盒壳体与蓄压器壳体的轴向开口端对接；膜盒壳体的轴心处设置有通孔；导向杆及盖盘通过该通孔从膜盒壳体端伸入蓄压器壳体内腔中；膜盒为环状结构；膜盒沿周向贴附在膜盒壳体的周向内壁；且膜盒的轴向侧壁与导向杆及盖盘的轴向外壁接触，实现对导向杆及盖盘的压紧；膜盒底盘设置在膜盒壳体的轴向外端面，实现对膜盒壳体内腔的密封；液体推进剂填充在蓄压器壳体的内腔中；膜盒内气体填充在膜盒的内腔中。
在上述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，所述步骤二中，膜盒内气体的气体密度为5.1kg/m3，体积模量为1.5MPa；液体推进剂的液体密度为796kg/m3，体积模量为550MPa；
蓄压器壳体为铝合金5A06材料，密度为2700kg/m3，弹性模量为72GPa，泊松比为0.29，屈服强度为181MPa，极限强度为461MPa，延伸率为0.26；
膜盒和膜盒壳体均为高温合金GH4169材料，密度均为8240kg/m3，弹性模量均为210GPa，泊松比均为0.29，屈服强度均为1035MPa，极限强度均为1460MPa，延伸率均为0.12；
导向杆及盖盘和膜盒底盘均为不锈钢0Cr18Ni9材料，密度均为7850kg/m3，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3，屈服强度为230MPa，极限强度为1610MPa，延伸率为0.38。
在上述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，所述步骤四中，设置蓄压器壳体的边界条件为固定边界；设置导向杆及盖盘与膜盒壳体通孔接触部位的边界条件为固定边界；设置载荷条件为：在蓄压器壳体内部液体推进剂的压力下，推动导向杆及盖盘沿轴向向外移动压缩膜盒，膜盒的压缩量为17mm。
在上述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，所述步骤五中，对蓄压器膜盒实物进行模态试验的具体方法为：
向膜盒内充入0.3MPa的氮气；向蓄压器壳体内注入0.86MPa的纯水；静置10分钟后，用橡胶锤击打膜盒底盘；通过加速度传感器测得导向杆及盖盘的加速度相应，通过时域转频域处理后，得到蓄压器膜盒实物在气液耦合作用下的实际模态数据、频率数据和阻尼数据。
在上述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，所述步骤六中，将导向杆及盖盘与膜盒壳体通孔接触部位的边界条件为固定边界修改为简支边界；所述简支边界为膜盒的轴向平移自由度和3个转动自由度解除约束；膜盒其它2个方向的平移自由度约束固定。
在上述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，所述步骤七中，膜盒材料S-N疲劳曲线数据通过查找材料性能资料获得；振动激励条件包括正弦、定频和随机振动，根据实验需求选择；所述分析类型包括定频、正弦和随机振动，根据实验需求选取。
在上述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，所述步骤八中，当疲劳损伤值小于0.1时，判断蓄压器膜盒有限元分析模型满足设计要求；否则判断蓄压器膜盒有限元分析模型不满足设计要求。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，主要采用声学单元建立蓄压器膜盒在膜盒内充气体、膜盒外充满推进剂液体的复杂工作环境下的有限元模型，通过有限元分析，获得膜盒结构的模态频率特性，以及振动载荷作用下膜盒结构的动态应力功率谱响应，然后结合损伤模型和材料S-N曲线，计算蓄压器膜盒结构的疲劳寿命；
(2)本发明可对液体运载火箭输送管路中的蓄压器膜盒结构在气液固耦合的复杂环境下受振动载荷作用时的疲劳寿命进行有效的分析评估，为蓄压器膜盒结构疲劳设计与试验提供指导和验证作用。
附图说明
图1为本发明蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析流程图；
图2为本发明蓄压器膜盒的有限元分析模型示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供了一种考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法主要采用声学单元建立蓄压器膜盒在膜盒内充气体、膜盒外充满推进剂液体的复杂工作环境下的有限元模型，通过有限元分析，获得膜盒结构的模态频率特性，以及振动载荷作用下膜盒结构的动态应力功率谱响应，然后结合损伤模型和材料S-N曲线，计算蓄压器膜盒结构的疲劳寿命。
蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤一、建立蓄压器膜盒的有限元分析模型；包括蓄压器壳体1和2个膜盒组件；每个膜盒组件包括膜盒2、导向杆及盖盘3、膜盒底盘4、膜盒内气体5、液体推进剂6和膜盒壳体7；其中，膜盒内气体5和液体推进剂6采用声学单元模拟；膜盒2采用壳单元模拟；蓄压器壳体1、导向杆及盖盘3和膜盒底盘4采用实体单元模拟。
如图2所示，蓄压器壳体1为轴向水平放置的中空结构；蓄压器壳体1的轴向两端设置有开口与中空内腔连通；2个膜盒组件分别设置在蓄压器壳体1的轴向两端，且与蓄压器壳体1的两个开口对接；其中，膜盒壳体7与蓄压器壳体1的轴向开口端对接；膜盒壳体7的轴心处设置有通孔；导向杆及盖盘3通过该通孔从膜盒壳体7端伸入蓄压器壳体1内腔中；膜盒2为环状结构；膜盒2沿周向贴附在膜盒壳体7的周向内壁；且膜盒2的轴向侧壁与导向杆及盖盘3的轴向外壁接触，实现对导向杆及盖盘3的压紧；膜盒底盘4设置在膜盒壳体7的轴向外端面，实现对膜盒壳体7内腔的密封；液体推进剂6填充在蓄压器壳体1的内腔中；膜盒内气体5填充在膜盒2的内腔中。
步骤二、设定蓄压器壳体1、膜盒2、导向杆及盖盘3、膜盒底盘4、膜盒内气体5、液体推进剂6和膜盒壳体7的材料属性；膜盒内气体5的气体密度为5.1kg/m3，体积模量为1.5MPa；液体推进剂6的液体密度为796kg/m3，体积模量为550MPa。
蓄压器壳体1为铝合金5A06材料，密度为2700kg/m3，弹性模量为72GPa，泊松比为0.29，屈服强度为181MPa，极限强度为461MPa，延伸率为0.26。
膜盒2和膜盒壳体7均为高温合金GH4169材料，密度均为8240kg/m3，弹性模量均为210GPa，泊松比均为0.29，屈服强度均为1035MPa，极限强度均为1460MPa，延伸率均为0.12。
导向杆及盖盘3和膜盒底盘4均为不锈钢0Cr18Ni9材料，密度均为7850kg/m3，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3，屈服强度为230MPa，极限强度为1610MPa，延伸率为0.38。
步骤三、将蓄压器壳体1与膜盒2之间、蓄压器壳体1与液体推进剂6之间、膜盒2与导向杆及盖盘3之间、膜盒2与膜盒底盘4之间、膜盒2内壁与膜盒内气体5之间、膜盒2外壁与液体推进剂6之间、膜盒2与膜盒壳体7之间均设置粘接关系；
步骤四、设置蓄压器壳体1的边界条件；设置导向杆及盖盘3与膜盒壳体7通孔接触部位的边界条件；设置膜盒2的载荷条件；设置蓄压器壳体1的边界条件为固定边界；设置导向杆及盖盘3与膜盒壳体7通孔接触部位的边界条件为固定边界；设置载荷条件为：在蓄压器壳体1内部液体推进剂6的压力下，推动导向杆及盖盘3沿轴向向外移动压缩膜盒2，膜盒2的压缩量为17mm。
对蓄压器膜盒的有限元分析模型进行网格划分：采用S4R壳单元对膜盒进行网格划分，采用C3D8R和C3D4实体单元对蓄压器壳体、导向杆等结构件进行网格划分，采用C3D4对膜盒内气体和膜盒外液体进行网格划分，根据模型大小设置合适的单元尺寸；
步骤五、搭建与蓄压器膜盒的有限元分析模型一致的蓄压器膜盒实物，对蓄压器膜盒实物进行模态试验，获得蓄压器膜盒实物在气液耦合作用下的实际模态数据、频率数据和阻尼数据；对蓄压器膜盒实物进行模态试验的具体方法为：
向膜盒2内充入0.3MPa的氮气；向蓄压器壳体1内注入0.86MPa的纯水；静置10分钟后，用橡胶锤击打膜盒底盘4；通过加速度传感器测得导向杆及盖盘3的加速度相应，通过时域转频域处理后，得到蓄压器膜盒实物在气液耦合作用下的实际模态数据、频率数据和阻尼数据。
步骤六、根据实际模态数据、频率数据和阻尼数据，对蓄压器膜盒的有限元分析模型的边界条件进行修改，将导向杆及盖盘3与膜盒壳体7通孔接触部位的边界条件为固定边界修改为简支边界；所述简支边界为膜盒2的轴向平移自由度和3个转动自由度解除约束；膜盒2其它2个方向的平移自由度约束固定。实现蓄压器膜盒有限元分析模型经解算后的模态数据、频率数据和阻尼数据与实际模态数据、频率数据和阻尼数据相同；
步骤七、在疲劳分析软件的材料设置模块中输入膜盒材料S-N疲劳曲线数据；在载荷设置模块中输入振动激励条件；在分析模块中选择分析类型；解算获得蓄压器膜盒有限元分析模型在不同振动激励条件下的疲劳损伤值；其中，膜盒材料S-N疲劳曲线数据通过查找材料性能资料获得；振动激励条件包括正弦、定频和随机振动，根据实验需求选择；所述分析类型包括定频、正弦和随机振动，根据实验需求选取。
步骤八、根据疲劳损伤值，判断蓄压器膜盒有限元分析模型是否满足设计要求。当疲劳损伤值小于0.1时，判断蓄压器膜盒有限元分析模型满足设计要求；否则判断蓄压器膜盒有限元分析模型不满足设计要求。
后续再对膜盒结构进行优化设计，然后重新按照步骤一至步骤八的方法进行优化后蓄压器膜盒结构的疲劳寿命评估，直至结果合格。
本发明可对液体运载火箭输送管路中的蓄压器膜盒结构在气液固耦合的复杂环境下受振动载荷作用时的疲劳寿命进行有效的分析评估，为蓄压器膜盒结构疲劳设计与试验提供指导和验证作用。该方法在新一代载人运载火箭低温蓄压器膜盒的计算分析中得到了充分运用，取得了良好的效果，很好的预示了低温蓄压器膜盒和导向结构在随机振动载荷作用下的疲劳寿命，为蓄压器膜盒更改方案提供数据支持。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、建立蓄压器膜盒的有限元分析模型；包括蓄压器壳体(1)和2个膜盒组件；每个膜盒组件包括膜盒(2)、导向杆及盖盘(3)、膜盒底盘(4)、膜盒内气体(5)、液体推进剂(6)和膜盒壳体(7)；其中，膜盒内气体(5)和液体推进剂(6)采用声学单元模拟；膜盒(2)采用壳单元模拟；蓄压器壳体(1)、导向杆及盖盘(3)和膜盒底盘(4)采用实体单元模拟；
步骤二、设定蓄压器壳体(1)、膜盒(2)、导向杆及盖盘(3)、膜盒底盘(4)、膜盒内气体(5)、液体推进剂(6)和膜盒壳体(7)的材料属性；
步骤三、将蓄压器壳体(1)与膜盒(2)之间、蓄压器壳体(1)与液体推进剂(6)之间、膜盒(2)与导向杆及盖盘(3)之间、膜盒(2)与膜盒底盘(4)之间、膜盒(2)内壁与膜盒内气体(5)之间、膜盒(2)外壁与液体推进剂(6)之间、膜盒(2)与膜盒壳体(7)之间均设置粘接关系；
步骤四、设置蓄压器壳体(1)的边界条件；设置导向杆及盖盘(3)与膜盒壳体(7)通孔接触部位的边界条件；设置膜盒(2)的载荷条件；
步骤五、搭建与蓄压器膜盒的有限元分析模型一致的蓄压器膜盒实物，对蓄压器膜盒实物进行模态试验，获得蓄压器膜盒实物在气液耦合作用下的实际模态数据、频率数据和阻尼数据；
步骤六、根据实际模态数据、频率数据和阻尼数据，对蓄压器膜盒的有限元分析模型的边界条件进行修改，实现蓄压器膜盒有限元分析模型经解算后的模态数据、频率数据和阻尼数据与实际模态数据、频率数据和阻尼数据相同；
步骤七、在疲劳分析软件的材料设置模块中输入膜盒材料S-N疲劳曲线数据；在载荷设置模块中输入振动激励条件；在分析模块中选择分析类型；解算获得蓄压器膜盒有限元分析模型在不同振动激励条件下的疲劳损伤值；
步骤八、根据疲劳损伤值，判断蓄压器膜盒有限元分析模型是否满足设计要求。
2.根据权利要求1所述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤一中，所述蓄压器壳体(1)为轴向水平放置的中空结构；蓄压器壳体(1)的轴向两端设置有开口与中空内腔连通；2个膜盒组件分别设置在蓄压器壳体(1)的轴向两端，且与蓄压器壳体(1)的两个开口对接；其中，膜盒壳体(7)与蓄压器壳体(1)的轴向开口端对接；膜盒壳体(7)的轴心处设置有通孔；导向杆及盖盘(3)通过该通孔从膜盒壳体(7)端伸入蓄压器壳体(1)内腔中；膜盒(2)为环状结构；膜盒(2)沿周向贴附在膜盒壳体(7)的周向内壁；且膜盒(2)的轴向侧壁与导向杆及盖盘(3)的轴向外壁接触，实现对导向杆及盖盘(3)的压紧；膜盒底盘(4)设置在膜盒壳体(7)的轴向外端面，实现对膜盒壳体(7)内腔的密封；液体推进剂(6)填充在蓄压器壳体(1)的内腔中；膜盒内气体(5)填充在膜盒(2)的内腔中。
3.根据权利要求2所述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤二中，膜盒内气体(5)的气体密度为5.1kg/m3，体积模量为1.5MPa；液体推进剂(6)的液体密度为796kg/m3，体积模量为550MPa；
蓄压器壳体(1)为铝合金5A06材料，密度为2700kg/m3，弹性模量为72GPa，泊松比为0.29，屈服强度为181MPa，极限强度为461MPa，延伸率为0.26；
膜盒(2)和膜盒壳体(7)均为高温合金GH4169材料，密度均为8240kg/m3，弹性模量均为210GPa，泊松比均为0.29，屈服强度均为1035MPa，极限强度均为1460MPa，延伸率均为0.12；
导向杆及盖盘(3)和膜盒底盘(4)均为不锈钢0Cr18Ni9材料，密度均为7850kg/m3，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3，屈服强度为230MPa，极限强度为1610MPa，延伸率为0.38。
4.根据权利要求3所述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤四中，设置蓄压器壳体(1)的边界条件为固定边界；设置导向杆及盖盘(3)与膜盒壳体(7)通孔接触部位的边界条件为固定边界；设置载荷条件为：在蓄压器壳体(1)内部液体推进剂(6)的压力下，推动导向杆及盖盘(3)沿轴向向外移动压缩膜盒(2)，膜盒(2)的压缩量为17mm。
5.根据权利要求4所述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤五中，对蓄压器膜盒实物进行模态试验的具体方法为：
向膜盒(2)内充入0.3MPa的氮气；向蓄压器壳体(1)内注入0.86MPa的纯水；静置10分钟后，用橡胶锤击打膜盒底盘(4)；通过加速度传感器测得导向杆及盖盘(3)的加速度相应，通过时域转频域处理后，得到蓄压器膜盒实物在气液耦合作用下的实际模态数据、频率数据和阻尼数据。
6.根据权利要求5所述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤六中，将导向杆及盖盘(3)与膜盒壳体(7)通孔接触部位的边界条件为固定边界修改为简支边界；所述简支边界为膜盒(2)的轴向平移自由度和3个转动自由度解除约束；膜盒(2)其它2个方向的平移自由度约束固定。
7.根据权利要求6所述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤七中，膜盒材料S-N疲劳曲线数据通过查找材料性能资料获得；振动激励条件包括正弦、定频和随机振动，根据实验需求选择；所述分析类型包括定频、正弦和随机振动，根据实验需求选取。
8.根据权利要求7所述的考虑气液固耦合效应的蓄压器膜盒振动疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤八中，当疲劳损伤值小于0.1时，判断蓄压器膜盒有限元分析模型满足设计要求；否则判断蓄压器膜盒有限元分析模型不满足设计要求。
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基于有限元法的运载火箭管路随机振动疲劳寿命分析;方红荣;薛立鹏;李朝晖;;导弹与航天运载技术(第04期);全文 *

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