利用氣浮技術(shù)進(jìn)行貯箱晃動(dòng)試驗(yàn)方法研究

程宏川，吳 劍，廖云龍，張銀勇

（1.上海空間推進(jìn)研究所，上海201112；2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112）

利用氣浮技術(shù)進(jìn)行貯箱晃動(dòng)試驗(yàn)方法研究

程宏川1,2，吳 劍1,2，廖云龍1,2，張銀勇1,2

（1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112；2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112）

針對(duì)某型號(hào)大容積貯箱，其晃動(dòng)特性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性及軌道控制系統(tǒng)。為了獲得該貯箱不同工況下的一階自由晃動(dòng)頻率，首次提出利用氣墊懸浮技術(shù)進(jìn)行貯箱晃動(dòng)試驗(yàn)的新方法，利用該方法設(shè)計(jì)出一整套試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含試驗(yàn)件、激勵(lì)系統(tǒng)、氣浮控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及加注排放系統(tǒng)等。使用試驗(yàn)系統(tǒng)開展不同工況條件下的液體晃動(dòng)試驗(yàn)，并用CFD軟件對(duì)該貯箱進(jìn)行時(shí)域分析，結(jié)合傅立葉變換最終獲得仿真結(jié)果。分析比較晃動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果及CFD仿真計(jì)算結(jié)果，結(jié)果顯示3種結(jié)果一致吻合，測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和理論CFD仿真結(jié)果的正確性均得到驗(yàn)證。

貯箱晃動(dòng)試驗(yàn)；氣墊懸浮技術(shù)；CFD仿真計(jì)算

0 引言

在航天器眾多部件產(chǎn)品中，貯箱承擔(dān)著非常重要的作用。貯箱內(nèi)液體的晃動(dòng)特性，如晃動(dòng)頻率會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的貯箱晃動(dòng)試驗(yàn)采用懸垂法，懸垂法的缺點(diǎn)是無法避免重力分量對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響。

氣墊懸浮技術(shù)，是指在氣墊片的氣囊中充入壓縮空氣，空氣將氣囊鼓起，并與地面接觸，在氣囊中間形成密封氣腔，隨著空氣壓力增大，氣囊內(nèi)的壓力也隨之增加，當(dāng)該壓力值達(dá)到足以浮起氣墊承載的相應(yīng)負(fù)載后，氣腔內(nèi)的氣體會(huì)通過氣囊底部向大氣泄出氣體，此時(shí)氣囊底部不與地面接觸，氣囊底部與地面之間存在0.1～0.2 mm氣膜，空氣從該氣膜連續(xù)不斷向外泄氣，中間密封氣腔也變成開放式氣腔，氣墊片處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。

本文利用氣墊懸浮技術(shù)，提出一種全新的測(cè)試貯箱液體晃動(dòng)參數(shù)的系統(tǒng)。

1 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

晃動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，由試驗(yàn)件、試驗(yàn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和加注排放系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)件為貯箱，貯箱內(nèi)液體為純凈水，貯箱滿載320 L。貯箱通過轉(zhuǎn)接工裝、力傳感器安裝于氣浮臺(tái)上部；試驗(yàn)系統(tǒng)由水平激勵(lì)臺(tái)、水平激勵(lì)臺(tái)控制系統(tǒng)、氣浮臺(tái)和氣浮臺(tái)控制系統(tǒng)組成，氣浮臺(tái)通氣后懸浮于水平激勵(lì)臺(tái)上部；水平激勵(lì)臺(tái)一側(cè)激勵(lì)裝置通過氣動(dòng)離合、力傳感器與氣浮臺(tái)連接，可由激勵(lì)臺(tái)控制系統(tǒng)控制發(fā)出相應(yīng)激勵(lì)信號(hào)，完成強(qiáng)迫激勵(lì)；加排系統(tǒng)由管路、抽真空裝置、增壓裝置和壓力表等組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由力傳感器、激光傳感器及數(shù)據(jù)采集板卡組成。

試驗(yàn)狀態(tài)：整個(gè)試驗(yàn)過程均為滿載80%純凈水。

試驗(yàn)方法及過程：首先，利用氣浮系統(tǒng)將氣浮臺(tái)浮起；其次，激勵(lì)控制系統(tǒng)控制發(fā)出相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，定頻完成強(qiáng)迫激勵(lì)，從而帶動(dòng)氣浮臺(tái)動(dòng)作；再次，待貯箱晃動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（本次試驗(yàn)為定頻連續(xù)激勵(lì)5 min）之后，關(guān)閉激勵(lì)系統(tǒng)及氣浮系統(tǒng)，若干秒之后，采集4個(gè)力傳感器信號(hào)（A1，A2，A3及A4）。

圖1 系統(tǒng)組成實(shí)物照片（貯箱水平軸向放置）Fig.1 Picture of the system(tank is axially placed)

2 豎直狀態(tài)測(cè)試

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

采用上述試驗(yàn)方法，進(jìn)行了豎直狀態(tài)晃動(dòng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖2所示。

圖2 貯箱豎直狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Testing field picture of the tank in vertical state

試驗(yàn)過程中，電動(dòng)缸的激振頻率分別定在1 Hz，1.5 Hz及2 Hz等頻率下進(jìn)行多次試驗(yàn)。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換之后，得到的曲線如圖3所示，在此僅列舉定頻為1 Hz和1.5 Hz的A1傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 貯箱豎直狀態(tài)不同激振頻率下A1傳感器曲線圖Fig.3 Curves of A1 sensor under different excitation frequency when the tank is in vertical state

通過分析圖3傳感器曲線，可以得到以下2點(diǎn)結(jié)論：

1）豎直方向自由晃動(dòng)的一階頻率為1.343 Hz；

2）該頻率與電動(dòng)缸激振的頻率無關(guān)。

2.2 理論分析結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn) [9]可知，此狀態(tài)下貯箱在豎直方向有解析公式。文獻(xiàn) [9]第6章6.1節(jié)，貯箱豎直狀態(tài)晃動(dòng)頻率計(jì)算公式如下：

式中：ωmn為晃動(dòng)圓頻率；nx為軸向過載系數(shù)，nx=1；g為重力加速度，g＝9.8 m/s2；α為貯箱橫截面半徑，α=0.251 m；hd為自由液面高度，hd= 1.25 m。

根據(jù)該文獻(xiàn) [9]可查得，ξmn=1.841 2。在此狀態(tài)下，獲得貯箱豎直狀態(tài)一階晃動(dòng)頻率解析解為1.350 Hz。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與解析解，可以發(fā)現(xiàn)，兩者相對(duì)偏差僅約為0.5%。

3 水平軸向狀態(tài)測(cè)試

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

采用上述試驗(yàn)方法，進(jìn)行了水平軸向狀態(tài)晃動(dòng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖1所示。

將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換之后，得到的曲線如圖4所示，在此僅列舉定頻為1 Hz和1.5 Hz的A1傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析圖4可以得到水平軸向方向自由晃動(dòng)的一階頻率為0.534 Hz。

圖4 貯箱水平軸向狀態(tài)不同激振頻率下A1傳感器曲線圖Fig.4 Curves of A1 sensor under different excitation frequency when the tank is in axial state

3.2 CFD仿真分析結(jié)果

貯箱在水平放置時(shí)介質(zhì)軸向自由晃動(dòng)頻率沒有解析公式。

為了獲得貯箱在水平放置時(shí)介質(zhì)軸向自由晃動(dòng)一階頻率的理論解，本文采用CFD仿真并結(jié)合傅立葉變換的方法。

具體計(jì)算過程如下：

1） 在貯箱軸向或橫向方向施加如下加速度與時(shí)間關(guān)系的正弦激勵(lì)，頻率為1Hz：

式中：α為重力加速度，mm/s2；t為時(shí)間，s。

2）在經(jīng)過2個(gè)周期的激勵(lì)后，撤去該激勵(lì)，采集后續(xù)時(shí)刻囊內(nèi)自由液面對(duì)貯箱內(nèi)壁的作用力隨時(shí)間的變化關(guān)系。

3） 依據(jù)采集的力與時(shí)間變化關(guān)系，通過傅立葉轉(zhuǎn)換獲取一階頻率。

圖5給出了經(jīng)過軸向加速激勵(lì)后1.3 s和2 s時(shí)刻，貯箱中間截面自由液面分布云圖。從圖5可知，液面由于受到外界的擾動(dòng)，液面變化較為劇烈。

采集激勵(lì)停止后自由液面對(duì)貯箱軸向方向的作用力隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，對(duì)該曲線進(jìn)行傅立葉變換，如圖6所示，從中可知，該狀態(tài)下自由液面一階頻率為0.600 Hz。

圖5 貯箱在受到軸向方向激勵(lì)后自由液面的分布云圖Fig.5 Distribution nephogram of free liquid surface in the tank when the tank is excited in axial direction

圖6 傅立葉轉(zhuǎn)換后作用力與頻率變化曲線Fig.6 Curve of force and frequency changing after Fourier transform

綜上所述，通過力傳感器實(shí)測(cè)一階自由晃動(dòng)頻率為 0.534 Hz，理論仿真計(jì)算的相應(yīng)值是0.600 Hz。

4 水平橫向狀態(tài)測(cè)試

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

采用與豎直狀態(tài)試驗(yàn)相同的試驗(yàn)方法，進(jìn)行了水平橫向狀態(tài)晃動(dòng)試驗(yàn)，水平橫向狀態(tài)與圖1呈90°。

試驗(yàn)過程中，電動(dòng)缸的激振頻率分別定在1 Hz，1.5 Hz及2 Hz等頻率下進(jìn)行了多次試驗(yàn)。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換之后。在此僅列舉了激振頻率為1 Hz和2 Hz的A1傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，曲線如7所示。

圖7 貯箱水平橫向狀態(tài)不同激振頻率下A1傳感器曲線圖Fig.7 Curves of A1 sensor at different excitation frequency when the tank is in horizontal state

分析圖7可以得到水平放置時(shí)橫向方向自由晃動(dòng)的頻率為1.312 Hz。

4.2 CFD仿真分析結(jié)果

貯箱在水平放置時(shí)介質(zhì)橫向自由晃動(dòng)頻率沒有解析公式。

圖8給出了經(jīng)過橫向加速激勵(lì)后1.3 s和2 s時(shí)刻貯箱中間截面自由液面分布云圖。從圖8可知，液面由于受到外界擾動(dòng)，液面變化較為劇烈。

圖8 貯箱在受到橫向方向激勵(lì)后自由液面的分布云圖Fig.8 Distribution nephogram of free liquid surface in tank when the tank is excited in horizontal direction

采集激勵(lì)停止后自由液面對(duì)貯箱橫向方向的作用力隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，對(duì)該曲線進(jìn)行傅立葉變換，如圖9所示，從中可知，該狀態(tài)下自由液面一階頻率為1.350 Hz。

綜上所述，通過力傳感器實(shí)測(cè)一階自由晃動(dòng)頻率為 1.312 Hz，理論仿真計(jì)算的相應(yīng)值是1.350 Hz。

圖9 傅立葉轉(zhuǎn)換后作用力與頻率變化曲線Fig.9 Curve of force and frequency changing after Fourier transform

5 結(jié)論

晃動(dòng)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 液體晃動(dòng)結(jié)果匯總Tab.1 Summary of liquid sloshing results Hz

綜合以上試驗(yàn)和理論結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1） 通過對(duì)比試驗(yàn)獲得的晃動(dòng)頻率、理論解析算出的頻率及CFD仿真計(jì)算的結(jié)果，三者非常接近，晃動(dòng)頻率比較容易識(shí)別。

2） 采用本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量貯箱中介質(zhì)晃動(dòng)頻率是行之有效的。

本系統(tǒng)對(duì)于不同規(guī)格、不同型式的貯箱均有很好的適應(yīng)性，每次測(cè)試僅需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接工裝及更換對(duì)應(yīng)規(guī)格的氣墊片即可。

[1]胡齊,李永,姚燦,等.大容積推進(jìn)劑貯箱液體晃動(dòng)性能試驗(yàn)[J].空間控制技術(shù)及應(yīng)用,2016,42(3):44-48.

[2]李青,王天舒,馬興瑞.充液航天器液體晃動(dòng)和液固耦合動(dòng)力學(xué)的研究及應(yīng)用[J].力學(xué)進(jìn)展,2012,42(4):472-480.

[3]黃愉太,杜發(fā)喜,劉海,等.基于SPH方法的彈性體貯箱內(nèi)液體晃動(dòng)特性分析 [J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2015,24 (2):36-41.

[4]閆錦,于洪亮,宋玉超.矩形液箱內(nèi)液體晃動(dòng)分析計(jì)算[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2013,39(1):74-77.

[5]李松,高芳清,楊翊仁,等.液體晃動(dòng)有限元模型分析及試驗(yàn)研究[J].核動(dòng)力工程,2007,28(4):54-57.

[6]陳健,范晴云.貯箱內(nèi)推進(jìn)劑微重力下晃動(dòng)的有限元模擬及試驗(yàn)[J].上海航天,2003(4):15-19.

[7]林宏,彭慧,董鍇.推進(jìn)劑貯箱液體晃動(dòng)的仿真研究與驗(yàn)證[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2011,38(5):25-30.

[8]WU Nanjing,HSIAO Shih-Chun,WU Hanlun.Mesh-free simulation of liquid sloshing subjected to harmonic excitations[J].Engineering analysis with boundary element,2016,(64):90-100.

[9]QJ 2117-91.地-地導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭液體推進(jìn)劑晃動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中華人民共和國航空航天工業(yè)部,1991.

（編輯：馬 杰）

Research on new method of tank liquid sloshing test based on air flotation technology

CHENG Hongchuan1,2,WU Jian1,2,LIAO Yunlong1,2,ZHANG Yinyong1,2
（1.Shanghai Institute of Space Propulsion,Shanghai 201112,China; 2.Shanghai Engineering Research Center of Space Engine,Shanghai 201112,China）

The sloshing characteristics of a type of large volume tank affect the whole system dynamic characteristics and orbit control system directly.In order to get the free sloshing frequency of the tank under different working conditions,a new method of tank liquid sloshing test based on air cushion flotation technologyis proposed.A set ofexperiment system,includingtank,excitation system, air flotation control system,data acquisition system and filling&draining system,is designed by this method to solve the liquid sloshing problem under different working conditions.The final simulation results were achieved by Fourier transform and time domain simulation analysis results obtained by CFD software.The results indicate that the test result,theory result and the CFD simulation result are consistent,and prove that the test system is reliable and the simulation results of CFD are correct.The test results provide an important reference and supporting data for tank design optimization and launch vehicle attitude&orbit control system design optimization.

tank liquid sloshingtest;air cushion flotation technology;CFD simulation calculation

V433.9-34

A

1672-9374(2017)02-0047-05

2016-09-21；

2016-12-16

程宏川（1984—），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)仿真及應(yīng)用