CN113378291A - 一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，可用于火箭输送系统液路频率特性分析，属于结构模态分析技术领域。一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，该方法采用有限元方法、基于声学单元的液路固有频率进行仿真分析，主要采用abaqus有限元软件中的声学单元模拟液路系统结构，赋予声学单元材料性能，包括密度和体积模量，建立液路系统有限元分析模型，对液路结构开展模态分析，获得液路系统的频率特性，该基于声学单元的液路固有频率仿真分析方法可广泛应用于运载火箭复杂液路系统的固有频率分析。

Description

一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法
技术领域
本发明涉及一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，可用于火箭输送系统液路频率特性分析，属于结构模态分析技术领域。
背景技术
火箭输送系统液路由贮箱、输送管路、蓄压器、推进剂等部分组成，液路系统的耦合振动会导致系统故障甚至结构破坏，因此需要在动力试车前对输送系统液路频率特性进行仿真分析，避免与火箭发动机端低频激励频率靠近而发生结构的耦合振动。对于液路系统固有频率特性分析，传统上所采用的状态空间模型、转移矩阵模型均基于集总参数法，但对于复杂液路系统来说，该方法难以对局部细节有效建模。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法。
本发明的技术解决方案是：
一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，该方法采用有限元方法、基于声学单元的液路固有频率进行仿真分析，主要采用abaqus有限元软件中的声学单元模拟液路系统结构，赋予声学单元材料性能，包括密度和体积模量，建立液路系统有限元分析模型，对液路结构开展模态分析，获得液路系统的频率特性，该基于声学单元的液路固有频率仿真分析方法可广泛应用于运载火箭复杂液路系统的固有频率分析，该方法的步骤包括：
1)建立液路系统的几何模型；
液路系统包括贮箱、输送管路、蓄压器和发动机端管路，所建立的几何模型包括贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型；
2)对步骤1)建立的贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型分别进行材料性能定义和赋予；
贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型均采用声学单元模拟，进行材料性能定义时对贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型均采用声学单元；
对贮箱模型进行材料性能定义时，对贮箱模型的声学单元材料性能进行定义，并将定义的材料性能赋予给贮箱模型，材料性能参数包括密度(density)和体积模量(bulkmodulus)；
对输送管路模型进行材料性能定义时，对输送管路模型的声学单元材料性能进行定义，并将定义的材料性能赋予给输送管路模型，材料性能参数包括密度(density)和体积模量(bulk modulus)；
对蓄压器模型进行材料性能定义时，对蓄压器模型的声学单元材料性能进行定义，并将定义的材料性能赋予给蓄压器模型，材料性能参数包括密度(density)和体积模量(bulk modulus)；
对发动机端管路模型进行材料性能定义时，对发动机端管路模型的声学单元材料性能进行定义，并将定义的材料性能赋予给发动机端管路模型，材料性能参数包括密度(density)和体积模量(bulk modulus)；
3)对步骤2)采用声学单元模拟后的贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型分别进行网格划分；
进行网格划分时，采用AC3D8或AC3D4单元对贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型进行网格划分；
4)对步骤3)网格划分后的贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型分别进行边界条件设置；
边界条件为几何模型的外表面，并设置为固定边界；
5)对步骤4)设置边界条件后的贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型分别进行模态分析步定义和模态分析，得到液路系统的固有频率及振型；模态分析步定义时选择Frequency模块，模态分析时应用Lanczos法；
6)根据步骤5)得到的固有频率对火箭液路系统设计进行指导。
有益效果
本发明的方法基于声学单元的液路固有频率仿真方法能够对贮箱、输送管路、蓄压器和发动机端管路的液路真实结构进行建模得到贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型，能够计入发动机端气蚀柔性的影响，并采用有限元分析软件进行计算，提高了计算效率。
附图说明
图1为基于声学单元的液路固有频率分析流程；
图2为液路系统几何模型；
图3a为液路系统几何区域划分中贮箱模型；
图3b为液路系统几何区域划分中蓄压器模型；
图3c为液路系统几何区域划分中输送管模型；
图3d为液路系统几何区域划分中发动机端模型；
图4为泵间管两相介质等效密度及体积模量；
图5为网格划分示意图；
图6为边界条件示意图；
图7a为实施例中一阶模态分析结果，频率为3.78Hz时的振型示意图；
图7b为实施例中二阶模态分析结果，频率为8.77Hz时的振型示意图；
图7c为实施例中三阶模态分析结果，频率为31.6Hz时的振型示意图；
图7d为实施例中四阶模态分析结果，频率为32.4Hz时的振型示意图；
图7e为实施例中五阶模态分析结果，频率为49.3Hz时的振型示意图。
具体实施方式
一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，如图1所示，该方法采用有限元方法、基于声学单元的液路固有频率进行仿真分析，主要采用abaqus有限元软件中的声学单元模拟液路系统结构，赋予声学单元材料性能，包括密度和体积模量，建立液路系统有限元分析模型，对液路结构开展模态分析，获得液路系统的频率特性，该基于声学单元的液路固有频率仿真分析方法可广泛应用于运载火箭复杂液路系统的固有频率分析，该方法的步骤包括：
1)液路系统几何模型构建；
火箭液路系统包括贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型，几何模型如图2所示；
2)对步骤1)建立的几何模型进行材料性能定义并赋予；
贮箱模型包括气枕和氧箱后底液氧推进剂两部分，输送管路模型包括氧输送管总管、三通和分支管内的液氧推进剂，蓄压器模型包括蓄压器壳体内液氧推进剂和蓄压器膜盒内氦气，发动机段模型包括前段泵间管气液两相推进剂(液氧、气氧)、后段液氧推进剂和发动机气蚀柔性模型，液路系统几何区域划分如图3a、图3b、图3c和图3d所示。
液路系统几何区域划分：几何模型采用声学单元模拟，针对不同液路几何区域划分，定义声学单元材料性能，包括密度和体积模量，各区域材料性能见表1所示。其中，泵间管气液两相推进剂的密度和体积模量沿液路轴向变化规律见图4。
表1各段管路气、液相介质性能参数
模型部位 材料 密度(Kg/m<sup>3</sup>) 体积模量(MPa)
液体推进剂 90K液氧 1143 943
蓄压器膜盒气体 0.6MPa、90K氦气 3.18 1.01
泵间管气液两相推进剂 气液混合液氧 见图4 见图4
发动机后段推进剂 液氧 1091 673
主泵气蚀柔度 1.35MPa、90K氦气 7.07 2.3
3)对步骤2)采用声学单元模拟后的几何模型进行网格划分；
在单元类型中选择声学单元(Acoustic)，采用AC3D8、AC3D4声学单元对整体液路模型进行网格划分，网格划分如图5所示。
4)对步骤3)网格划分后的几何模型进行边界条件设置；几何模型的外表面均为设置为固定边界，如图6所示。
5)对步骤4)设置边界条件后的有限元模型进行模态分析步定义和模态分析，得到液路系统的固有频率及振型；模态分析步定义时选择Frequency模块，模态分析时应用Lanczos法。提取前5阶模态分析结果见图7a、图7b、图7c、图7d和图7e，
表2液路固有频率与振型
阶数 频率(Hz) 振型
1 3.78 图7a
2 8.77 图7b
3 31.6 图7c
4 32.4 图7d
5 49.3 图7e
6)根据得到的固有频率对火箭液路系统设计的合理性进行评估。液路系统的一阶固有频率为3.78Hz，与发动机端激励频率约4Hz接近，可能引发结构的耦合振动，可通过改变蓄压器设计参数来避免耦合振动引发的危害，为输送系统设计的正确性和可靠性提供了有力的技术支撑。

Claims (10)

1.一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，其特征在于该方法的步骤包括：
1)建立液路系统的几何模型；
液路系统包括贮箱、输送管路、蓄压器和发动机端管路，所建立的几何模型包括贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型；
2)对步骤1)建立的贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型分别进行材料性能定义和赋予；
3)对步骤2)采用声学单元模拟后的贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型分别进行网格划分；
4)对步骤3)网格划分后的贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型分别进行边界条件设置；
5)对步骤4)设置边界条件后的贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型分别进行模态分析步定义和模态分析，得到液路系统的固有频率及振型。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，其特征在于：步骤2)中，贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型均采用声学单元模拟，进行材料性能定义时对贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型均采用声学单元材料性能进行定义。
3.根据权利要求2所述的一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，其特征在于：
对贮箱模型进行材料性能定义时，对贮箱模型的声学单元材料性能进行定义，并将定义的材料性能赋予给贮箱模型，材料性能参数包括密度和体积模量。
4.根据权利要求2所述的一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，其特征在于：
对输送管路模型进行材料性能定义时，对输送管路模型的声学单元材料性能进行定义，并将定义的材料性能赋予给输送管路模型，材料性能参数包括密度和体积模量。
5.根据权利要求2所述的一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，其特征在于：
对蓄压器模型进行材料性能定义时，对蓄压器模型的声学单元材料性能进行定义，并将定义的材料性能赋予给蓄压器模型，材料性能参数包括密度和体积模量。
6.根据权利要求2所述的一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，其特征在于：
对发动机端管路模型进行材料性能定义时，对发动机端管路模型的声学单元材料性能进行定义，并将定义的材料性能赋予给发动机端管路模型，材料性能参数包括密度和体积模量。
7.根据权利要求1所述的一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，其特征在于：
对步骤2)中进行网格划分时，采用AC3D8或AC3D4单元对贮箱模型、输送管路模型、蓄压器模型和发动机端管路模型进行网格划分。
8.根据权利要求1所述的一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，其特征在于：
步骤4)中进行边界条件设置时边界条件为几何模型的外表面，并设置为固定边界。
9.根据权利要求1所述的一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，其特征在于：
步骤)中，模态分析步定义时选择Frequency模块，模态分析时应用Lanczos法。
10.根据权利要求1所述的一种基于声学单元的液路固有频率仿真方法，其特征在于：
根据得到的固有频率对火箭液路系统设计进行指导，并对火箭液路系统设计的合理性进行分析。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117569948A (zh) * 2023-11-23 2024-02-20 北京天兵科技有限公司 增压输送系统、液体运载火箭及增压输送系统的控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003090758A (ja) * 2001-09-17 2003-03-28 Toray Ind Inc 成形品の音響特性のシミュレーション方法および装置
CN102004823A (zh) * 2010-11-11 2011-04-06 浙江中科电声研发中心 一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法
US20120116736A1 (en) * 2010-11-04 2012-05-10 Airbus Operations Gmbh Method for the acoustic analysis of a body and a system for the execution of such a method
CN109635396A (zh) * 2018-11-30 2019-04-16 同济大学 一种多层cfrp结构平板的振动声学分析方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003090758A (ja) * 2001-09-17 2003-03-28 Toray Ind Inc 成形品の音響特性のシミュレーション方法および装置
US20120116736A1 (en) * 2010-11-04 2012-05-10 Airbus Operations Gmbh Method for the acoustic analysis of a body and a system for the execution of such a method
CN102004823A (zh) * 2010-11-11 2011-04-06 浙江中科电声研发中心 一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法
CN109635396A (zh) * 2018-11-30 2019-04-16 同济大学 一种多层cfrp结构平板的振动声学分析方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
石广丰;霍明杰;王子涛;: "固着液滴的流固耦合模态仿真分析", 华南理工大学学报(自然科学版), no. 02 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117569948A (zh) * 2023-11-23 2024-02-20 北京天兵科技有限公司 增压输送系统、液体运载火箭及增压输送系统的控制方法

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