韓文龍， 張明明， 衛(wèi) 國(guó)， 胡彥平， 王 帥(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所 環(huán)境可靠性中心，北京 100076)

大推力新型運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)多采用無(wú)毒無(wú)污染的液氫液氧或液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，低溫推進(jìn)劑的使用給火箭增壓輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)和技術(shù)難題。輸送管作為增壓輸送系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，擔(dān)負(fù)著推進(jìn)劑輸送的核心任務(wù)，且管路在箭上實(shí)際工作過(guò)程中受到內(nèi)壓、低溫、振動(dòng)、沖擊、復(fù)雜邊界等綜合工況的影響[1-3]。因此研究輸送管在綜合工況下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，保障輸送管在工作過(guò)程中的可靠性尤為重要。

近年來(lái)綜合工況下管路動(dòng)力特性研究主要集中在充液管路的流固耦合研究[4-8]、增壓管路的氣固耦合研究[9-11]以及不同溫度環(huán)境對(duì)管路動(dòng)力特性的影響[12-15]。以上研究主要側(cè)重于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、內(nèi)徑較小的管路，方法上也偏重于數(shù)值模擬和仿真計(jì)算。對(duì)于大推力新型運(yùn)載火箭輸送管，由于管路內(nèi)徑大，且同時(shí)受到低溫、高壓、振動(dòng)等綜合應(yīng)力作用，因此無(wú)論試驗(yàn)還是仿真計(jì)算方面的相關(guān)研究都很少，特別是試驗(yàn)方面由于其難度大，復(fù)雜性強(qiáng)、危險(xiǎn)系數(shù)高、試驗(yàn)成本高，國(guó)內(nèi)鮮有成功案例。本文根據(jù)輸送管路在箭上的實(shí)際安裝及工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一整套綜合試驗(yàn)系統(tǒng)，攻克了各類技術(shù)難關(guān)開展了相關(guān)試驗(yàn)，并依據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果建立并修正了管路有限元模型，結(jié)合試驗(yàn)對(duì)管路在箭上所經(jīng)受的復(fù)合環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究。

1 理論基礎(chǔ)

本項(xiàng)目研究對(duì)象為兩端通過(guò)法蘭盤封閉空間管路，內(nèi)部充壓的氮?dú)夂鸵旱鳛楣苈返膬?nèi)部載荷，因此不考慮氣體和液體的流速影響。

振動(dòng)試驗(yàn)中，空間管路系統(tǒng)一端固定在振動(dòng)臺(tái)上，其他端都與鋼梁或鑄塊固定。因此，可將空間管路系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一端固支，一端施加外部給定運(yùn)動(dòng)激勵(lì)的動(dòng)力學(xué)模型其動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

考慮管路內(nèi)部充氣壓，空間管路呈現(xiàn)預(yù)緊力狀態(tài)，表現(xiàn)為剛度提升，此時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程為

([Kp]+[ΔK]){x}={f}

(2)

管路內(nèi)部充滿一定壓力的液體時(shí)，液體作為附加質(zhì)量明顯改變空間管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性，造成管路結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為

([Kp]+[ΔK]){x}={f}

(3)

當(dāng)管路結(jié)構(gòu)承受溫度載荷時(shí)(液氮80 K溫區(qū))，結(jié)構(gòu)的剛度也會(huì)發(fā)生變化，從而影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。溫度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面：① 材料的彈性模量隨溫度變化而變化；② 結(jié)構(gòu)中的存在溫度梯度會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而改變結(jié)構(gòu)的剛度，此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為

([Kp]+[ΔK]+[ΔK′]){x}={f}

(4)

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及搭建

由于輸送管在箭上的實(shí)際安裝狀態(tài)為一端與發(fā)動(dòng)機(jī)端口相連接，一端與儲(chǔ)箱相連接。為能更加真實(shí)的模擬箭上安裝狀態(tài)、邊界條件，以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)輸送管所處的真實(shí)工況環(huán)境，試驗(yàn)時(shí)管路與發(fā)動(dòng)機(jī)連接端為激勵(lì)端，與儲(chǔ)箱系統(tǒng)連接端為固支端。試驗(yàn)中，低溫加載使用液氮加注，壓力加載使用高壓氮?dú)馄砍鋲海瑫r(shí)利用壓力平衡器保證試驗(yàn)過(guò)程中管路系統(tǒng)內(nèi)部壓力始終處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。加壓過(guò)程中由于管路內(nèi)徑大，管路內(nèi)部所受內(nèi)壓載荷會(huì)隨著壓力的變大而不斷加大，且管路中間波紋軟管會(huì)隨著內(nèi)壓的增加剛度逐漸變大，此時(shí)管路極易發(fā)生側(cè)翻失穩(wěn)，因此試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了承力和防失穩(wěn)系統(tǒng)。具體試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1～圖3所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system

圖2 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)要操作流程Fig.2 Brief description of the test device

具體試驗(yàn)時(shí)，由于輸送管和壓力平衡器可看成一套連通器，因此試驗(yàn)操作時(shí)首先使用高壓氮?dú)馄拷?jīng)壓力平衡器對(duì)輸送管進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，以保證管內(nèi)介質(zhì)單一；其次使用液氮加注系統(tǒng)對(duì)輸送管進(jìn)行低溫液氮加注，直至壓力平衡器自動(dòng)排液閥打開，表明液氮加注已滿，同時(shí)通過(guò)溫度傳感器觀察溫度。

圖3 管路試驗(yàn)狀態(tài)Fig.3 Pipeline test status

2.2 兩種狀態(tài)下應(yīng)變變化趨勢(shì)

應(yīng)變?cè)诔貭顟B(tài)和低溫狀態(tài)下隨壓力變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 不同工況下應(yīng)變隨壓力變化趨勢(shì)Fig.4 Change trend of strain with pressure under different working conditions

圖4為波紋管上端5#點(diǎn)附近的應(yīng)變變化趨勢(shì)圖，分析其他應(yīng)變測(cè)點(diǎn)也可得到相似變化趨勢(shì)，比較上圖兩條曲線可以看出應(yīng)變?cè)诔貭顟B(tài)和低溫狀態(tài)下隨壓力的逐步增加而逐漸變大，但常溫狀態(tài)下比低溫狀態(tài)下在同壓力下的應(yīng)變相對(duì)值大，且受壓力變化的影響更大。分析原因，常溫狀態(tài)下管路內(nèi)部充壓，管路剛度變大，空間管路呈現(xiàn)預(yù)緊力狀態(tài)，因此應(yīng)變逐漸隨壓力的變大而變大；低溫狀態(tài)下管路性能更加優(yōu)異，相比常溫管路在低溫狀態(tài)下其強(qiáng)度、塑性、韌性都大幅度提高，因此低溫狀態(tài)下管路受壓力的影響沒(méi)有常溫下大。

2.3 不同工況下管路固有頻率研究

對(duì)管路做研究性小量級(jí)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，帶寬為(20～1 000 Hz)。常溫常壓狀態(tài)、常溫加壓狀態(tài)(1.0 MPa)、液氮低溫加壓狀態(tài)(1.1 MPa/-196 ℃ )下管路波紋管上端測(cè)點(diǎn)與臺(tái)面?zhèn)鬟f函數(shù)曲線，如圖5所示。固有頻率，如表1所示。

圖5 不同工況下傳遞函數(shù)曲線Fig.5 Transfer function curves under different operating

圖5和表1為波紋管上端加速度曲線和固有頻率值，分析其他加速度測(cè)點(diǎn)也可得到相似變化趨勢(shì)，因此說(shuō)明這種變化趨勢(shì)對(duì)此類管具有路普適特性。由圖5和表1可知，相對(duì)于常溫常壓下管路固有頻率，低溫常壓狀態(tài)下管路固有頻率出現(xiàn)顯著前移，常溫充壓狀態(tài)下管路固有頻率出現(xiàn)顯著后移。由此可以判斷，常溫充壓使得管路剛度變大，質(zhì)量變化可忽略，因此固有頻率變大。低溫充壓狀態(tài)下管路受壓力影響剛度變大，受溫度影響結(jié)構(gòu)的剛度也會(huì)發(fā)生變化，從而影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，溫度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①材料的彈性模量隨溫度變化而變化；②結(jié)構(gòu)中存在的溫度梯度會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而改變結(jié)構(gòu)的剛度；同時(shí)低溫狀態(tài)下管路充滿液氮，管路的整體質(zhì)量顯著變大，最終使得剛度、質(zhì)量的比值相對(duì)變小，因此低溫充壓狀態(tài)下固有頻率變小。

表1 各工況下固有頻率值Tab.1 Natural frequencies under differentoperating conditions

3 有限元建模及仿真

3.1 輸送管有限元模型

依據(jù)管路幾何模型及試驗(yàn)狀態(tài)建立管路結(jié)構(gòu)有限元模型，并參考試驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，首先利用常溫常壓狀態(tài)下小量級(jí)隨機(jī)振動(dòng)所得到的前十階模態(tài)，對(duì)管路各位置厚度進(jìn)行靈敏度分析，其結(jié)果如圖 6所示。再根據(jù)不同狀態(tài)下管路的結(jié)構(gòu)固有特性差異，對(duì)管路有限元模型進(jìn)行了差異化修正。修正后的模型，如圖7所示。其中A端面和C端面固支，B端面為振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)輸入端。計(jì)算時(shí)有限元模型采用4邊形殼單元(CQUAD4)建立，材料參數(shù)屬性如表2所示；管路在液氮充壓狀態(tài)下，溫度、內(nèi)壓等均以預(yù)應(yīng)力的形式考慮，通過(guò)預(yù)應(yīng)力修正結(jié)構(gòu)剛度，最后將修正后的剛度矩陣施加于有限元模型，對(duì)于管路內(nèi)的液氮以分布式附加質(zhì)量效應(yīng)加載于模型上。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)2#、4#、6#在1#、3#、5#的對(duì)稱面，且各測(cè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)相同位置的有限元節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

圖6 管路前十階模態(tài)對(duì)厚度的靈敏度Fig.6 Sensitivity of the ten-step mode to thickness of the pipe

表2 材料參數(shù)屬性Tab.2 Material parameter attributes

圖7 輸送管有限元模型Fig.7 Finite element model of the pipe

3.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

利用前節(jié)修正得到的有限元模型，計(jì)算了在溫度-196 ℃、內(nèi)壓為1.1 MPa復(fù)合預(yù)載荷作用下，20～2 000 Hz頻帶內(nèi)隨機(jī)振動(dòng)條件下各測(cè)點(diǎn)加速度功率譜密度分布，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。圖8和圖9分別為1#、2#、3#、4#測(cè)點(diǎn)的計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果。圖10為管路各測(cè)點(diǎn)總均方根值變化趨勢(shì)的計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)圖。

圖8 加速度測(cè)點(diǎn)頻響函數(shù)仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of frequency response function of acceleration point

圖9 加速度測(cè)點(diǎn)頻響函數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of frequency response function of acceleration point

圖10 加速度測(cè)點(diǎn)總均方根值變化曲線Fig.10 Curve of total root mean square change of acceleration point

由圖7～圖9可知，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好，波紋管下方(1#～4#測(cè)點(diǎn)區(qū)域其中，圖9中AUX2～AUX11為試驗(yàn)時(shí)1#～4#點(diǎn)的測(cè)量通道)在此方向上的加速度響應(yīng)曲線傳遞趨勢(shì)基本一致，響應(yīng)量級(jí)相近，最大實(shí)測(cè)響應(yīng)與計(jì)算響應(yīng)均為42g左右，與輸入量級(jí)25g相比放大約為4.5 dB。經(jīng)波紋管位移補(bǔ)償后，三通及其分支根部(5#～7#)加速度響應(yīng)量級(jí)有一定的衰減，試驗(yàn)測(cè)量最大值約為7g(-11 dB)，仿真結(jié)果為6g(-12 dB)。由圖9整體來(lái)看加速度響應(yīng)沿管路由振動(dòng)端向固支端呈現(xiàn)逐級(jí)遞減趨勢(shì)，且經(jīng)波紋管后響應(yīng)呈顯著衰減趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)并搭建了復(fù)合振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了試驗(yàn)中低溫加載、壓力平衡、管路極限位移補(bǔ)償、管路變形失穩(wěn)防防護(hù)等一系列技術(shù)難題；實(shí)現(xiàn)了地面試驗(yàn)對(duì)大內(nèi)徑液氧輸送管箭上工作狀態(tài)盡可能真實(shí)模擬。

(2)分析了常溫和低溫狀態(tài)管路應(yīng)變隨壓力的變化趨勢(shì)，研究了管路在常溫常壓、常溫充壓、低溫充壓三種狀態(tài)下固有頻率，得出f(常溫充壓)>f(常溫常壓)>f(低溫充壓)。

(3)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立并修正了管路有限元模型，結(jié)合試驗(yàn)分析了管路在復(fù)合隨機(jī)振動(dòng)條件下各部位加速度響應(yīng)，驗(yàn)證了有限元模型的正確性，得到了管路不同位置的加速度變化趨勢(shì)，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

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