固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)夾具優(yōu)化分析與研究

王世輝， 張 昱， 陳欣欣， 程 博， 李 鐵

(中國(guó)航天科工集團(tuán) 第六研究院601所,呼和浩特 010076)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)夾具優(yōu)化分析與研究

王世輝， 張 昱， 陳欣欣， 程 博， 李 鐵

(中國(guó)航天科工集團(tuán) 第六研究院601所,呼和浩特 010076)

通過(guò)相同激勵(lì)條件下對(duì)3種典型振動(dòng)試驗(yàn)夾具進(jìn)行寬頻段隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)夾具在試驗(yàn)頻段內(nèi)出現(xiàn)不同程度的共振現(xiàn)象，過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象嚴(yán)重；通過(guò)3種典型振動(dòng)試驗(yàn)夾具質(zhì)量、一階固有頻率、位移變化量及應(yīng)變變化量等數(shù)據(jù)對(duì)比、分析，得出影響振動(dòng)試驗(yàn)夾具振動(dòng)傳遞特性的主要因素，以影響因素為優(yōu)化變量，以典型部位平均響應(yīng)與輸入的振動(dòng)傳遞比為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，最終經(jīng)過(guò)夾具振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，過(guò)試驗(yàn)情況得到有效控制，滿足相關(guān)規(guī)范要求，為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制提供保障。

振動(dòng)與波 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 振動(dòng)試驗(yàn)夾具 優(yōu)化分析與研究

0 引言

隨著科技的發(fā)展及航天工業(yè)對(duì)產(chǎn)品可靠性和環(huán)境適應(yīng)性要求的不斷提高，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的高可靠性成為軍工行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，振動(dòng)試驗(yàn)產(chǎn)生欠試驗(yàn)或過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。欠試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致欠試驗(yàn)部位振動(dòng)量級(jí)不夠，無(wú)法考核其動(dòng)力學(xué)性能，影響發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正；過(guò)試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致過(guò)試驗(yàn)部位承受量級(jí)過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)局部損傷。因此，避免發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)試驗(yàn)欠試驗(yàn)或過(guò)試驗(yàn)情況尤為重要。振動(dòng)試驗(yàn)夾具質(zhì)量好壞是能

否避免振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)的關(guān)鍵因素。本文從影響夾具質(zhì)量的主要因素出發(fā)，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)夾具進(jìn)行優(yōu)化分析與研究。

1 振動(dòng)試驗(yàn)夾具基本理論

1.1 振動(dòng)試驗(yàn)夾具種類

振動(dòng)試驗(yàn)夾具種類很多，按用途分為專用和通用兩種。專用夾具是專門(mén)為某個(gè)試件制造的，通用夾具可以用于不同試件，常見(jiàn)夾具種類如下，立方體夾具主要用于小型零構(gòu)件的振動(dòng)試驗(yàn)。

半球形夾具可以作相對(duì)于振動(dòng)臺(tái)3個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)。

錐形夾具通常是鑄件，錐形截面和寬厚的筋形成合適的剛度重量比，可以為特殊試件訂做，也可以通過(guò)轉(zhuǎn)接板得到各個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)。

盒式夾具通常用五塊金屬板焊接而成，頂蓋通常用螺接，試件可安裝到4個(gè)垂直板的外邊，也可同頂蓋的某一邊相連。

L形夾具的各部分可用螺接、粘接或焊接結(jié)合起來(lái)，也可以用整塊料機(jī)械加工成L形夾具。

T形夾具除了垂直平板裝在中心位置外，其他方面和L形夾具類似[1]。

1.2 夾具質(zhì)量影響因素分析

夾具的重量原則上應(yīng)當(dāng)輕，因?yàn)閵A具的重量直接影響移動(dòng)系統(tǒng)的總重量，影響振動(dòng)臺(tái)裝上試件后所能達(dá)到的最大加速度數(shù)值[2]。具體公式如下，

(1)

式(1)中：F為振動(dòng)臺(tái)額定推力；M1為動(dòng)圈質(zhì)量；M2為試件質(zhì)量；M3為夾具質(zhì)量；a為加速度。

在相同激勵(lì)輸入條件下，試驗(yàn)件的形變量與試驗(yàn)件剛度成反比[3]，具體公式如下：

(2)

式(2)中，k為試驗(yàn)件剛度；p為作用于結(jié)構(gòu)的力；δ為由于力而產(chǎn)生的形變。

應(yīng)變是物體在外力和非均勻溫度場(chǎng)等因素作用下物體局部的相對(duì)變形量。

位移是物體在外力和非均勻溫度場(chǎng)等因素作用下物體局部的絕對(duì)變形量。

由式(2)可得，要提高試驗(yàn)件的剛度，需要降低應(yīng)變、位移變化量。

在大型試件的夾具設(shè)計(jì)中，要在整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)完全避免夾具或夾具一試件的耦合共振是不可能的，但夾具共振對(duì)于振動(dòng)傳遞有不良影響，尤以低頻共振最為嚴(yán)重。所以一般要求夾具的第一階固有頻率大于試件第一階固有頻率的3～4倍[5]。

從以上理論得出，夾具的質(zhì)量、固有頻率、相同激勵(lì)條件下的應(yīng)變變化量、位移變化量都與夾具的振動(dòng)傳遞特性有關(guān)。

1.3 振動(dòng)試驗(yàn)夾具傳遞特性分析

選取3種典型固體火箭發(fā)動(dòng)試驗(yàn)夾具，進(jìn)行相同的典型寬頻帶激勵(lì)條件下、相同典型部位振動(dòng)響應(yīng)、位移變化、應(yīng)變變化等影響夾具傳遞特性因素分析。3種典型夾具結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖1～3。

圖1 典型夾具結(jié)構(gòu)一

圖2 典型夾具結(jié)構(gòu)二

圖3 典型夾具結(jié)構(gòu)三

激勵(lì)條件為10～2 000Hz、均方根值為3.79g的隨機(jī)振動(dòng)譜，具體條件見(jiàn)表1。

表1 隨機(jī)激勵(lì)條件表

具體激勵(lì)譜形見(jiàn)圖4。

圖4 典型激勵(lì)條件譜形

響應(yīng)測(cè)點(diǎn)分布為，測(cè)點(diǎn)1位于左側(cè)弧座中間位置軸向；

測(cè)點(diǎn)2位于底盤(pán)與左側(cè)弧座連接處軸向；

測(cè)點(diǎn)位于3右側(cè)弧座中間位置軸向；

測(cè)點(diǎn)4位于底盤(pán)與右側(cè)弧座連接處軸向。

3種典型結(jié)構(gòu)在圖4激勵(lì)條件下的振動(dòng)響應(yīng)情況如圖5～圖7。

圖5 典型結(jié)構(gòu)一響應(yīng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)譜形

圖6 典型結(jié)構(gòu)二響應(yīng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)譜形

圖7 典型結(jié)構(gòu)三響應(yīng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)譜形

3種典型結(jié)構(gòu)在圖4激勵(lì)條件下的位移變化量、應(yīng)變變化量等與傳遞特性相關(guān)的數(shù)據(jù)情況見(jiàn)下表2。

表2 相關(guān)變量數(shù)據(jù)表

分析數(shù)據(jù)可得這3種夾具典型部位在試驗(yàn)頻段內(nèi)出現(xiàn)多次共振峰，典型部位響應(yīng)與輸入振動(dòng)傳遞比偏大，振動(dòng)試驗(yàn)出現(xiàn)過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象，需要進(jìn)行分析與研究。

2 振動(dòng)試驗(yàn)夾具優(yōu)化分析

振動(dòng)試驗(yàn)夾具目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下，

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化概念模型，結(jié)合振動(dòng)試驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將包含裝配面的區(qū)域定義為非優(yōu)化區(qū)域，包括夾具與發(fā)動(dòng)機(jī)連接面、夾具與激勵(lì)力源連接面，其余設(shè)為優(yōu)化區(qū)域。圖9為拓?fù)鋬?yōu)化的夾具的概念模型綜合考慮夾具靜、動(dòng)態(tài)性能要求，提取優(yōu)化結(jié)果特征，按照最佳傳力路徑識(shí)別材料分布情況，并做規(guī)整化處理，得出夾具最優(yōu)設(shè)計(jì)模型如下。

圖8 夾具拓?fù)鋬?yōu)化的概念模型 圖9 夾具最優(yōu)設(shè)計(jì)模型

夾具采用整體錐形設(shè)計(jì)，下部以肋狀結(jié)構(gòu)焊接而成，可根據(jù)試驗(yàn)件的尺寸增大安裝試驗(yàn)件的臺(tái)面面積，它采用肋狀結(jié)構(gòu)以增加剛度與重量比；上部采用弧座結(jié)構(gòu)與下部以滑軌螺接方式連接，弧座的個(gè)數(shù)、位置要根據(jù)任務(wù)書(shū)的支撐要求及發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度、直徑等數(shù)據(jù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。如發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑很小、長(zhǎng)度相對(duì)很長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)易出現(xiàn)彎曲變形，損傷發(fā)動(dòng)機(jī)，沒(méi)有特殊要求，為了保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以增加弧座個(gè)數(shù)，甚至在不影響此次試驗(yàn)?zāi)芰Φ那疤嵯?，可以設(shè)計(jì)成整體弧座。

3 振動(dòng)試驗(yàn)夾具試驗(yàn)驗(yàn)證

夾具最優(yōu)設(shè)計(jì)模型經(jīng)過(guò)有限元分析，各項(xiàng)指標(biāo)都符合要求。具體應(yīng)用于某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和要求制作夾具完成后進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。經(jīng)稱重，夾具質(zhì)量為177kg。對(duì)夾具進(jìn)行模態(tài)分析，得出夾具一階固有頻率為415Hz，振型圖如圖10，對(duì)最優(yōu)夾具進(jìn)行振動(dòng)分析，仍以表1中典型夾具振動(dòng)分析的激勵(lì)條件進(jìn)行，響應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置分布仍按第2章3種典型夾具結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)分布進(jìn)行。得出典型部位的振動(dòng)響應(yīng)譜如圖11。

圖10 最優(yōu)夾具一階模態(tài)振型圖

圖11 最優(yōu)夾具典型部位的振動(dòng)響應(yīng)譜

從圖11中可得出，響應(yīng)點(diǎn)1的均方根值為4.10g；響應(yīng)點(diǎn)2的均方根值為3.98g；響應(yīng)點(diǎn)3的均方根值為3.84g；響應(yīng)點(diǎn)4的均方根值為3.88g；最優(yōu)夾具結(jié)構(gòu)的典型部位平均振動(dòng)響應(yīng)值與激勵(lì)力源輸入值3.98g的傳遞比為1.05。

4 結(jié)語(yǔ)

最優(yōu)夾具結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分別比結(jié)構(gòu)一、二、三減輕33%、2%、60%；

最優(yōu)夾具結(jié)構(gòu)的一階固有頻率分別比結(jié)構(gòu)一、二、三提高6.55倍、1.68倍、3.11倍；

最優(yōu)夾具結(jié)構(gòu)的典型部位響應(yīng)與激勵(lì)力源輸入的振動(dòng)傳遞比分別比結(jié)構(gòu)一、二、三降低4.38倍、2.02倍、1.09倍。

經(jīng)最優(yōu)設(shè)計(jì)后，相較于3種典型的振動(dòng)試驗(yàn)夾具的質(zhì)量有不同程度的降低，結(jié)構(gòu)固有頻率有不同程度的升高，典型部位平均振動(dòng)響應(yīng)與輸入值的傳遞比為1.05，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，避免了振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象。該方法對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)控制具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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Vibration Test Fixture Optimization Analysis and Control for Solid Rocket Motor

Wang Shihui, Zhang Yu, Chen Xinxin, Cheng Bo, Li Tie

(601STInstitute of No.6 Academy of China, Huhehaote 010076，China)

Through the same incentive conditions of three typical solid rocket motor vibration test fixture for vibration test analysis, different degree resonance phenomena within the test frequency and the experiment phenomenon were found. Through test data analysis, it was concluded that the main factors influencing the vibration test fixture transfer characteristics, influencing factors as optimization variables, the average values of vibration response and the input value in a typical part error as the optimization goal, fixture topology optimization design, the final test optimization model experiment phenomenon under control, meet the specification requirements, provide guarantee for solid rocket motor vibration test control.

vibration and wave; solid rocket motor; vibration test fixture; optimization analysis and control

2016-07-28；

2016-08-31。

軍品自主創(chuàng)新項(xiàng)目(中國(guó)航天科工集團(tuán)六院)。

王世輝(1985-)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，主要從事固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)01-0221-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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