一种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天结构工程领域，具体涉及一种多机并联液体火箭发动机结构低频 的仿真方法。
【背景技术】
[0002] 在火箭发射及飞行过程中，液体火箭发动机本身就是强烈的冲击、振动和噪声源， 同时也承受着最恶劣的静态内压，集中力等静载荷，还承受着全箭最强烈的振动、冲击、腔 体管道内的压强脉动及高、低温等环境载荷。液体火箭发动机的结构低频特性影响运载火 箭上面级和有效载荷的正常工作，同时又是全箭纵向耦合振动系统（P0G0)的一个重要组 成部分，其分析精度直接影响到动态载荷与环境条件，关系到整个火箭在飞行过程中的安 全可靠性。特别是对于载人航天来说，低频特性还关系到宇航员的安全和舒适度。
[0003] 多机并联液体火箭发动机，其各组成零部件特性迥异，种类繁多，结构复杂，涉及 到正交各向异性夹层旋转壳、单层旋转壳、高速转盘、三维空间走向薄柱壳及细长梁、空间 桁架、空间梁结构、柔性或刚性转子系统元器件和子系统等结构，各组件及结构子系统力学 性能各不相同。多机并联液体火箭发动机整体结构仿真模型具有几万甚至几十万个自由 度，若直接用多机并联后的模态试验数据修改和验证该数学模型是非常困难的，需花费大 量的人力和物力成本，而且最后模型的方程组不能稳定趋于唯一解，可信度非常低，模型的 仿真结果与实际相差较远。因而建立一种合理的，更加符合多机并联液体火箭发动机结构 低频特性的仿真方法有着非常重大的意义。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法采用整体建模、整体 利用多机并联后的模态试验数据进行修改验证的方法可信度低且修改和验证复杂的技术 问题，本发明提供一种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：
[0006] -种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，其特殊之处在于：所述方法 包括以下步骤：
[0007] (1)建立单台液体火箭发动机的结构仿真模型；
[0008] (2)确定多种状态下单机模态试验方案，所述多种状态指单台液体火箭发动机的 地面固支状态、发动机与试车台连接状态、伺服机构安装与否状态；
[0009] (3)进行单机模态试验，获得单机结构频率和振型数据；
[0010] (4)根据频率和振型数据，判断前3-7阶模态试验数据的相关性，如果相关性符合 要求，进行步骤5,如果相关性不满足要求，查找并改正试验错误，回到步骤3 ;
[0011] (5)利用相关性符合要求的模态试验数据修改单机结构仿真模型；
[0012] (6)将修改完善的单机结构仿真模型采用固定界面子结构模态综合法组装成多机 并联结构仿真模型；
[0013] (7)进行多机并联发动机结构低频仿真。
[0014] 上述步骤（1)中单台液体火箭发动机的推力室和涡轮泵结构仿真模型应沿其轴 线选取不同的特征截面，用圆柱壳单元代替，其余组件按质量和转动惯量等效方法进行建 模。
[0015] 上述步骤（4)中判断前7阶模态试验数据相关性的方法为模态置信因子。
[0016] 上述步骤（5)中利用相关性符合要求的模态试验数据时，先采用单机仿真结果的 误差分布曲线进行待修改参数区域定位，然后调整误差大的结构质量矩阵和刚度矩阵。
[0017] 上述步骤（7)中多机并联发动机结构低频仿真方法采用Lanczos迭代法。
[0018] 上述液体火箭发动机固定界面子结构模态综合法的计算方法为：
[0019] 以单台液体火箭发动机作为子结构a为例，在无阻尼自由振动下的运动方程为
【主权项】
1. 一种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，其特征在于：所述方法包括以 下步骤： (1) 建立单台液体火箭发动机的结构仿真模型； (2) 确定多种状态下单机模态试验方案，所述多种状态指单台液体火箭发动机的地面 固支状态、发动机与试车台连接状态、伺服机构安装与否状态； (3) 进行单机模态试验，获得单机结构频率和振型数据； (4) 根据频率和振型数据，判断前3-7阶模态试验数据的相关性，如果相关性符合要 求，进行步骤5,如果相关性不满足要求，查找并改正试验错误，回到步骤3 ; (5) 利用相关性符合要求的模态试验数据修改单机结构仿真模型； (6) 将修改完善的单机结构仿真模型采用固定界面子结构模态综合法组装成多机并联 结构仿真模型； (7) 进行多机并联发动机结构低频仿真。
2. 根据权利要求1所述的多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，其特征在 于： 所述步骤（1)中单台液体火箭发动机的推力室和涡轮泵结构仿真模型应沿其轴线选 取不同的特征截面，用圆柱壳单元代替，其余组件按质量和转动惯量等效方法进行建模。
3. 根据权利要求1所述的多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，其特征在 于： 所述步骤（4)中判断前7阶模态试验数据相关性的方法为模态置信因子。
4. 根据权利要求1所述的多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，其特征在 于： 所述步骤（5)中利用相关性符合要求的模态试验数据时，先采用单机仿真结果的误差 分布曲线进行待修改参数区域定位，然后调整误差大的结构质量矩阵和刚度矩阵。
5. 根据权利要求1所述的多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，其特征在 于： 所述步骤（7)中多机并联发动机结构低频仿真方法采用Lanczos迭代法。
6. 根据权利要求1所述的多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，其特征在 于： 液体火箭发动机固定界面子结构模态综合法的计算方法为： 以单台液体火箭发动机作为子结构a为例，在无阻尼自由振动下的运动方程为
其中i为子结构内部物理坐标，j为结构边界物理坐标，fj为结构边界力向量，M为子 结构的质量矩阵，X为子结构的位移向量，K为子结构的刚度矩阵， 以固定界面条件为例，引入X,_=0,展开式（3)的第一行，可得
式（4)的特征方程为
其中〇i为子结构的主模态， 按照约束模态的定义，可得
其中Iij为依次给予j个界面坐标的单位位移，wjj为子结构内部坐标的静力位移响 应，Fjj为约束界面上的反力矩阵， 由于单台液体火箭发动机子结构的高阶主模态对整体结构的低频振动贡献较小，因此 可以截断部件的高阶主模态，则子结构a的结点位移为
其中为子结构的低阶主模态，uk为子结构的模态坐标， 同理可得另一单台液体火箭发动机子结构0的结点位移， 根据界面位移协调条件，消去子结构a和3中不独立的元素，可得缩聚后的主模态坐 标q的表达式
将式（7)、（8)代入式（3)及另一子结构0运动方程，运用拉格朗日第二类方程，可得 双机并联液体火箭发动机整体结构的运动方程
将液体火箭发动机两个子结构a和3通过式（9)合并后可以视为一个新的单个液体 火箭发动机子结构，然后根据式（3)_(9)与另一台液体火箭发动机子结构进行组装，以此 类推，完成多台液体火箭发动机子结构的组装。
【专利摘要】本发明提供一种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，将发动机结构模态试验与多机并联发动机结构仿真技术紧密结合，首先对液体火箭发动机结构模态试验数据进行相关性判定，然后利用符合相关性的模态试验数据进行单机结构仿真模型的修改，确保单机结构仿真模型的可信度，将修改后的单机仿真模型采用固定界面子结构法组装成多机并联液体火箭发动机，最后进行多机并联液体火箭发动机结构低频仿真。该方法特别适用于大型复杂结构的数值仿真模型的修改和验证，可大幅减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机并联后的模态试验数据难以修改和验证仿真模型的不足，有效地提高了多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真准确率。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104615807
【申请号】CN201410828767
【发明人】杜飞平, 谭永华, 陈建华, 陈守芳, 李妙婷, 吴涛
【申请人】中国航天科技集团公司第六研究院第十一研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月26日