一种用于液体火箭发动机推力测量装置结构设计的校核方法与流程

1.本发明阐述了一种用于液体火箭发动机推力测量装置结构设计的校核方法，属于试验测试领域。


背景技术：

2.火箭发动机的推力做为考核火箭最重要的性能指标，随着火箭推进系统的发展，火箭发动机的推力测量装置也需要不断地更新换代，火箭发动机推力测量装置的设计既需满足强度要求，又需满足刚度及部分结构件的稳定性要求，因此对推力测量装置中结构件的设计计算变的尤为重要，直接决定结构的可行性、合理性及可靠性。
3.在结构设计初期，由于结构形式及尺寸的不确定性变化，采用传统的手工计算的方式效率很低，本发明依据不同型号的推力测量装置原理相同，结构相通的特点，针对传统手工方式校核效率低的问题，结合结构力学、材料力学、机械设计原理及计算机程序语言等学科理论，按照推力测量装置的结构特点，对典型结构件的设计计算方法进行程序设计，为系统装置的结构设计、计算提供了可靠的理论依据，以期减少设计人员对结构校核的时间，提高设计的效率。


技术实现要素：

4.1、推力测量装置结构形式设计校核流程
5.根据推力测量装置的组成，结合装置中的结构形式和设计过程，总结通用结构类型主要有弹簧片、梁结构、杆件结构、螺纹结构、单双耳结构、弹簧结构、法兰结构等，归纳共性，完成推力测量装置结构校核分布和流程，见图1，2。
6.2、推力测量装置结构设计校核的设计思想
7.推力测量装置结构计算软件主要以典型部件各自类型的计算特点为主，通过在软件设计时加入了辅助设计的常用金属材料力学性能模块可实现金属材料性能的自动查询和辅助检索功能，避免了翻阅大量设计手册的时间，同时为结构设计确定材料性能提供了数据库资源。还有重量计算模块可以实现设计完结构重量的自动计算，为整体推力测量装置重量确定提供途径和手段。其软件设计思路如下：
8.(1)总结常用金属材料的力学性能，以数据库的形式进行统计，便于后续结构设计计算时材料性能链接。
9.(2)总结常用结构件重量计算方法，及实现重量计算的形式。
10.(3)整理各个部件结构的计算方法，筛选可靠性强、精度高、已得到工程应用的较为成熟的计算方法。
11.(4)针对各个部件结构计算方法进行编程、调试、验算，最终得到成熟的计算程序。编制推力测量装置结构计算软件说明书。
12.(5)推力测量装置结构计算软件采用并行结构，即主界面列出各个部件计算模块，根据设计的需求选取相应的设计模块进行结构计算，计算过程中对材料的性能可进行查
询、检索和调用，结构设计合理后可对其进行重量计算。
13.推力测量装置结构计算软件采用visual basic 6.0编写，该语言界面简洁、直观、友好，能更好的方便软件使用者理解和阅读程序。结构计算软件主程序界面见图3，子程序界面根据设计计算的要求，编写程序界面，程序书写方式每个模块尽可能采用一致的编写形式，便于调试。每个结构计算程序中在输入控制数据(如集几何尺寸、荷载大小、边界条件等)时，程序会根据要求附以状态提示说明，如数据输入不全，给出提示需要重新输入。输入数据结束后，程序进行计算，输出结果，并给出计算结果的是否满足要求的状态提示。
14.3、推力测量装置结构设计校核方法的实现
15.推力测量装置结构设计校核软件通过自研软件实现，主要包含两个子模块：计算模块和辅助设计模块。
16.计算模块包含弹簧片设计计算(按照试验台结构不同分为垂直和水平两种)、梁结构设计计算(单个集中载荷和两个集中载荷)、杆件结构设计计算、杆件结构稳定性计算、螺纹牙强度计算、单双耳结构设计计算、弹簧设计计算、法兰设计计算等八个子模块。每个子模块的具体功能如下：
17.(1)弹簧片设计计算：包含已知条件和待求参数两部分。已知条件包括发动机参数，推力测量装置的位置参数及被设计弹簧片的几何参数及性能参数等，计算结果会弹出信息提示窗口，见图4。
18.(2)梁结构设计计算：分为受单个集中载荷梁计算和受两个集中载荷梁设计计算界面，该界面包括截面形式、接触形式、几何参数、基本参数、计算结果、结果状态显示。
19.(3)杆件结构设计计算：包括截面形式、位置形式、与端面连接形式、几何参数、基本参数、计算结果、结果状态显示。
20.(4)杆件结构稳定性计算：包括基本参数及说明、几何参数、计算结果、结果状态显示。
21.(5)螺纹牙强度计算：包含已知条件和待求参数两部分。已知条件包括螺纹形式、几何参数、性能参数、螺纹与螺纹之间连接材料形式、内外螺纹计算形式；待求条件包括内螺纹强度计算、外螺纹强度计算、自锁性计算，计算结果会弹出信息提示窗口。
22.(6)单双耳结构计算模块：包括已知条件、销子待求量、单双耳待求量。
23.(7)弹簧计算模块：点击主界面下拉菜单列表弹出相应的内容，可查询相应的设计参数；关于压缩弹簧的设计计算及拉伸弹簧的设计主要包括工作形式、已知条件、计算结果三部分。已知条件中包含有性能参数、几何参数和工作条件。
24.(8)法兰设计模块：包括法兰设计主界面，主要有计算参数说明及图形示意，点击整体法兰计算和活套法兰计算按钮可以分别进入各自程序界面。
25.辅助设计模块主要包含重量计算和常用金属材料力学性能两个子模块。点击各自内容可打开独立对话框。重量计算界面包括实体类型、基本参数、几何参数、计算结果四大部分，选择几何图形，输入相关参数可实现重量计算。常用金属材料力学性能有常用金属材料性能列表，点击相应列表内容可弹出相应性能数据库，输入要查询的金属材料，点击查找按钮，可以锁定该金属材料性能，该材料数据内容可通过sql server 2000数据库与计算模块中设计的性能参数调用。
附图说明
26.图1为本发明的校核方法的结构分布图
27.图2为本发明的推力测量装置结构校核流程图
28.图3为本发明的推力测量装置结构计算软件图
29.图4为本发明的水平试验台弹簧片计算图
30.图5为本发明的推力测量装置常用金属材料力学性能数据库查询图
具体实施方式
31.以某液体火箭发动机试验台为例，说明一个部件弹簧片的设计计算。针对试验台中推力测量装置中的弹簧片是连接动架、定架，确保装置的定位，保证推力测量装置整体的形位公差和推力测量的整体精度，但对于整体系统中推力的精度，需要对弹簧片的弹阻力应限制在额定推力的0.15％以内，承受冷调时径向进入的流体作用力，具体计算过程如下：
32.(1)按照辅助设计及计算界面要求输入已知条件：选用材料、弹性模量e、最大推力时推力架的变形量6、侧向力f、动架及附属管路重量g
t
、发动机重量gf、动架前端面与后端面距离l1、燃烧室距动架后端面距离l2、动架前端面与动架质心间距l3、发动机质心与动架后端面距离l4，弹簧片结构尺寸等。
33.(2)软件自动解析待求量，包括刚度计算：动架前端面弹簧片拉力f1、动架后端面弹簧片拉力f2、许用应力及所受应力；弹阻力计算：弹簧片被拉长时受力f3、弹簧片惯性矩r、弹簧片刚度k、弹簧片所受弹阻力f、弹阻力与额定推力比值。
34.(3)给出输入的已知条件下的校核结果。