一種多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及航天結構工程領域，具體涉及一種多機并聯液體火箭發動機結構低頻 的仿真方法。
【背景技術】
[0002] 在火箭發射及飛行過程中，液體火箭發動機本身就是強烈的沖擊、振動和噪聲源， 同時也承受著最惡劣的靜態內壓，集中力等靜載荷，還承受著全箭最強烈的振動、沖擊、腔 體管道內的壓強脈動及高、低溫等環境載荷。液體火箭發動機的結構低頻特性影響運載火 箭上面級和有效載荷的正常工作，同時又是全箭縱向耦合振動系統（P0G0)的一個重要組 成部分，其分析精度直接影響到動態載荷與環境條件，關系到整個火箭在飛行過程中的安 全可靠性。特別是對于載人航天來說，低頻特性還關系到宇航員的安全和舒適度。
[0003] 多機并聯液體火箭發動機，其各組成零部件特性迥異，種類繁多，結構復雜，涉及 到正交各向異性夾層旋轉殼、單層旋轉殼、高速轉盤、三維空間走向薄柱殼及細長梁、空間 桁架、空間梁結構、柔性或剛性轉子系統元器件和子系統等結構，各組件及結構子系統力學 性能各不相同。多機并聯液體火箭發動機整體結構仿真模型具有幾萬甚至幾十萬個自由 度，若直接用多機并聯后的模態試驗數據修改和驗證該數學模型是非常困難的，需花費大 量的人力和物力成本，而且最后模型的方程組不能穩定趨于唯一解，可信度非常低，模型的 仿真結果與實際相差較遠。因而建立一種合理的，更加符合多機并聯液體火箭發動機結構 低頻特性的仿真方法有著非常重大的意義。
【發明內容】
[0004] 為了克服現有多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法采用整體建模、整體 利用多機并聯后的模態試驗數據進行修改驗證的方法可信度低且修改和驗證復雜的技術 問題，本發明提供一種多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法。
[0005] 本發明的技術解決方案如下：
[0006] -種多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法，其特殊之處在于：所述方法 包括以下步驟：
[0007] (1)建立單臺液體火箭發動機的結構仿真模型；
[0008] (2)確定多種狀態下單機模態試驗方案，所述多種狀態指單臺液體火箭發動機的 地面固支狀態、發動機與試車臺連接狀態、伺服機構安裝與否狀態；
[0009] (3)進行單機模態試驗，獲得單機結構頻率和振型數據；
[0010] (4)根據頻率和振型數據，判斷前3-7階模態試驗數據的相關性，如果相關性符合 要求，進行步驟5,如果相關性不滿足要求，查找并改正試驗錯誤，回到步驟3 ;
[0011] (5)利用相關性符合要求的模態試驗數據修改單機結構仿真模型；
[0012] (6)將修改完善的單機結構仿真模型采用固定界面子結構模態綜合法組裝成多機 并聯結構仿真模型；
[0013] (7)進行多機并聯發動機結構低頻仿真。
[0014] 上述步驟（1)中單臺液體火箭發動機的推力室和渦輪泵結構仿真模型應沿其軸 線選取不同的特征截面，用圓柱殼單元代替，其余組件按質量和轉動慣量等效方法進行建 模。
[0015] 上述步驟（4)中判斷前7階模態試驗數據相關性的方法為模態置信因子。
[0016] 上述步驟（5)中利用相關性符合要求的模態試驗數據時，先采用單機仿真結果的 誤差分布曲線進行待修改參數區域定位，然后調整誤差大的結構質量矩陣和剛度矩陣。
[0017] 上述步驟（7)中多機并聯發動機結構低頻仿真方法采用Lanczos迭代法。
[0018] 上述液體火箭發動機固定界面子結構模態綜合法的計算方法為：
[0019] 以單臺液體火箭發動機作為子結構a為例，在無阻尼自由振動下的運動方程為
【主權項】
1. 一種多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法，其特征在于：所述方法包括以 下步驟： (1) 建立單臺液體火箭發動機的結構仿真模型； (2) 確定多種狀態下單機模態試驗方案，所述多種狀態指單臺液體火箭發動機的地面 固支狀態、發動機與試車臺連接狀態、伺服機構安裝與否狀態； (3) 進行單機模態試驗，獲得單機結構頻率和振型數據； (4) 根據頻率和振型數據，判斷前3-7階模態試驗數據的相關性，如果相關性符合要 求，進行步驟5,如果相關性不滿足要求，查找并改正試驗錯誤，回到步驟3 ; (5) 利用相關性符合要求的模態試驗數據修改單機結構仿真模型； (6) 將修改完善的單機結構仿真模型采用固定界面子結構模態綜合法組裝成多機并聯 結構仿真模型； (7) 進行多機并聯發動機結構低頻仿真。
2. 根據權利要求1所述的多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法，其特征在 于： 所述步驟（1)中單臺液體火箭發動機的推力室和渦輪泵結構仿真模型應沿其軸線選 取不同的特征截面，用圓柱殼單元代替，其余組件按質量和轉動慣量等效方法進行建模。
3. 根據權利要求1所述的多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法，其特征在 于： 所述步驟（4)中判斷前7階模態試驗數據相關性的方法為模態置信因子。
4. 根據權利要求1所述的多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法，其特征在 于： 所述步驟（5)中利用相關性符合要求的模態試驗數據時，先采用單機仿真結果的誤差 分布曲線進行待修改參數區域定位，然后調整誤差大的結構質量矩陣和剛度矩陣。
5. 根據權利要求1所述的多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法，其特征在 于： 所述步驟（7)中多機并聯發動機結構低頻仿真方法采用Lanczos迭代法。
6. 根據權利要求1所述的多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法，其特征在 于： 液體火箭發動機固定界面子結構模態綜合法的計算方法為： 以單臺液體火箭發動機作為子結構a為例，在無阻尼自由振動下的運動方程為
其中i為子結構內部物理坐標，j為結構邊界物理坐標，fj為結構邊界力向量，M為子 結構的質量矩陣，X為子結構的位移向量，K為子結構的剛度矩陣， 以固定界面條件為例，引入X,_=0,展開式（3)的第一行，可得
式（4)的特征方程為
其中〇i為子結構的主模態， 按照約束模態的定義，可得
其中Iij為依次給予j個界面坐標的單位位移，wjj為子結構內部坐標的靜力位移響 應，Fjj為約束界面上的反力矩陣， 由于單臺液體火箭發動機子結構的高階主模態對整體結構的低頻振動貢獻較小，因此 可以截斷部件的高階主模態，則子結構a的結點位移為
其中為子結構的低階主模態，uk為子結構的模態坐標， 同理可得另一單臺液體火箭發動機子結構0的結點位移， 根據界面位移協調條件，消去子結構a和3中不獨立的元素，可得縮聚后的主模態坐 標q的表達式
將式（7)、（8)代入式（3)及另一子結構0運動方程，運用拉格朗日第二類方程，可得 雙機并聯液體火箭發動機整體結構的運動方程
將液體火箭發動機兩個子結構a和3通過式（9)合并后可以視為一個新的單個液體 火箭發動機子結構，然后根據式（3)_(9)與另一臺液體火箭發動機子結構進行組裝，以此 類推，完成多臺液體火箭發動機子結構的組裝。
【專利摘要】本發明提供一種多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真方法，將發動機結構模態試驗與多機并聯發動機結構仿真技術緊密結合，首先對液體火箭發動機結構模態試驗數據進行相關性判定，然后利用符合相關性的模態試驗數據進行單機結構仿真模型的修改，確保單機結構仿真模型的可信度，將修改后的單機仿真模型采用固定界面子結構法組裝成多機并聯液體火箭發動機，最后進行多機并聯液體火箭發動機結構低頻仿真。該方法特別適用于大型復雜結構的數值仿真模型的修改和驗證，可大幅減少仿真模型修改的工作量，降低研制成本，克服了以往直接用多機并聯后的模態試驗數據難以修改和驗證仿真模型的不足，有效地提高了多機并聯液體火箭發動機結構低頻的仿真準確率。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104615807
【申請號】CN201410828767
【發明人】杜飛平, 譚永華, 陳建華, 陳守芳, 李妙婷, 吳濤
【申請人】中國航天科技集團公司第六研究院第十一研究所
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月26日