某軌姿控管路系統(tǒng)模擬分析及優(yōu)化

賀迪華，羅衛(wèi)東,2*，黃琳森，劉忠

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某軌姿控管路系統(tǒng)模擬分析及優(yōu)化

賀迪華1，羅衛(wèi)東1,2*，黃琳森1，劉忠3

（1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學明德學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州航天朝陽科技有限責任公司，貴州 遵義 563000）

根據(jù)某軌姿控系統(tǒng)中關鍵組件的固定位置進行管路布置，并通過ANSYS Workbench對管路和管路接頭進行了仿真分析，針對分析結果、結合管路布置原則對原管路進行改進。通過與原管路對比發(fā)現(xiàn)：改進管路模型的固有頻率避開了系統(tǒng)工作頻率910 Hz；在隨機振動中方向上的等效應力和位移分別減小了66.62 MPa和0.72878 mm且在、方向上的等效應力和位移增加幅度較??；四通管路接頭使得管路中流量分配更加均勻且降低了將近10%的水擊壓力，有效地改善了軌姿控系統(tǒng)中管路的布置形式。

軌姿控管路系統(tǒng)；四通管路接頭；管路模型；仿真分析

軌姿控管路系統(tǒng)是管子、管子連接件、閥門等連接成用于輸送液體推進劑的裝置，是典型的動力支撐和維持系統(tǒng)。管路系統(tǒng)的結構、布置形式以及工作品質直接影響到結構系統(tǒng)的正常工作[1]。管路系統(tǒng)設計和布置不合理導致工作系統(tǒng)失效的事故鮮有發(fā)生，嚴重的甚至造成管路破裂，給系統(tǒng)帶來巨大的經濟損失。因此，對軌姿控管路系統(tǒng)的優(yōu)化改進和分析研究有著重要的意義。

目前，管路系統(tǒng)的研究存在諸多方面。文獻[2]采用了一維有限元方法對管路中的液體瞬變流進行計算。文獻[3-4]對液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)的充填過程動態(tài)特性進行了研究。文獻[5]采用有限差分格式的特征線方法，針對某姿控推進系統(tǒng)發(fā)動機真實氧化劑管路的關機瞬變特性進行了數(shù)值研究，結果發(fā)現(xiàn)噴注前的最大瞬變壓力達到貯箱壓力的三倍。文獻[6]對液壓管路流固耦合線性化動力學模型和非線性振動模型的研究成果進行分析，并對液壓管路被動、主動及半主動振動控制的研究進展及研究成果進行評述，提出了管路系統(tǒng)流固耦合振動機理及振動控制研究的發(fā)展趨勢。文獻[7]針對船舶管路系統(tǒng)抗沖擊性能仿真方法精度不足的問題，研究用于艦船管路系統(tǒng)的高精度抗沖擊仿真方法。文獻[8]針對原四通接頭在工作過程中存在的缺陷，對四通接頭進行改進設計，結果表明改進后的四通接頭效果良好。

本文通過對四通接頭和原管路布置形式進行了優(yōu)化改進，將優(yōu)化的四通接頭運用到改進的管路中，最后對改進的管路模型進行模擬分析。

1 計算理論

1.1 湍流計算理論

標準－模型是目前應用范圍最廣的兩方程湍流模型[9]，其方程為：

其中：

1.2 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是最為基礎的內容，也是動力學分析中必不可少的環(huán)節(jié)。工程中進行模態(tài)分析的主要目的在于找出系統(tǒng)的固有頻率，從而避免可能引起的共振現(xiàn)象。

自由度系統(tǒng)自由振動的方程為[10]：

式中：[]、[]和[]分別為系統(tǒng)質量、阻尼和剛度矩陣。

因為式（3）為耦合方程，計算時需要對其進行解耦處理。解耦方式如下：

令：

即將式（3）變化為：

將質量、阻尼和剛度矩陣同時對角化，依據(jù)振型矩陣正交性關系，有：

將自由度系統(tǒng)自由振動方程解耦成模態(tài)坐標下個相互獨立的自由振動方程組，第個方程為：

2 四通接頭計算與分析

2.1 四通接頭建模

運用繪圖軟件Creo對四通接頭進行建模，如圖1所示3種四通接頭模型。圖（a）為直通型流道空槽，圖（b）為半徑＝13 mm的球形流道空槽，圖（c）為半徑＝23 mm的球形流道空槽，接頭壁厚均為2 mm，管路壁厚均為1 mm，管路內徑為10 mm。

2.2 流域模型及邊界條件

將三種四通接頭導入ICEM CFD軟件中抽取流域并劃分網(wǎng)格，劃分結果如圖2所示。

圖1 三種四通接頭模型

圖2 流域網(wǎng)格模型

根據(jù)軌姿控發(fā)動機實際工作要求，設置三個出口邊界條件均為0.4 MPa；選用液體推進劑MMH作為工質，其密度為874.40 kg/m3，動力粘度為0.775×10-3Pa·s[11]；計算3.0579 m/s、 6.1157 m/s、9.1736 m/s和12.2315 m/s四種工況下推進劑入口速度對三個出口質量流量分配的影響。

2.3 計算結果分析

圖3為三種四通接頭在入口速度6.1157 m/s下的速度矢量分布情況。

圖3 四通接頭速度矢量圖

在直通流域中，Outlet1和Outlet3附近存在明顯的渦流現(xiàn)象，入口速度增大時，渦流現(xiàn)象越加明顯，對四通接頭產生不利影響。在＝13 mm球形流域中，避免了上述現(xiàn)象的發(fā)生，但由于流體慣性作用，使得Outlet2的出口速度依然顯著高于Outlet1和Outlet3。在＝23 mm球形流域中，由于球形容積較大，有效地減緩了流體進入球形域的這種慣性，因而使得各出口的速度基本相近。

通過對三種四通接頭在不同入口速度下的仿真分析，繪制出各四通接頭出口質量流量百分率隨速度的變化情況，如圖4所示。

圖4 不同出口流量分配率與速度關系

從圖4中可以看出，＝23 mm球形流域各出口的質量流量分配率基本相等，即說明三個出口同時工作時不會出現(xiàn)某個出口處的質量流量滿足不了給定需求；此外，各出口質量流量分配率與入口速度基本無關。

根據(jù)文獻[12]減小水擊的措施可知，當管路串聯(lián)一個容積50 ml的集液腔后，系統(tǒng)管路的水擊壓力會降低10%左右。由于＝23 mm球形流域的體積為50.965 ml，所以在布置空間允許的條件下，盡量采用＝23 mm球形空槽四通接頭能夠顯著的降低水擊壓力。

3 原始管路計算與分析

3.1 管路系統(tǒng)原始模型

根據(jù)某軌姿控系統(tǒng)中關鍵組件的固定位置和發(fā)動機的工作要求對管路系統(tǒng)進行布置，如圖5所示。

圖5 原始管路結構

3.2 模型網(wǎng)格及邊界條件

將管路系統(tǒng)模型導入網(wǎng)格劃分軟件，管路采用掃掠方式而接頭采用非結構化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。管路系統(tǒng)的邊界條件根據(jù)空間結構形式進行合理的布置，選取5個固定支點。管路的彈性模量＝204 GPa，密度＝7930 kg/m3，泊松比＝0.285，抗拉強度σ＝520 MPa，屈服強度σ＝206 MPa。網(wǎng)格模型和邊界條件如圖6所示。

圖6 模型網(wǎng)格及邊界條件

3.3 模型計算及結果分析

采用ANSYS Workbench對原始管路模型進行仿真模擬，得出原始模型的前20階固有頻率值如表1所示。

表1 原始管路模態(tài)

根據(jù)軌姿控系統(tǒng)工作要求，系統(tǒng)的工作頻率在910 Hz附近。從表1中可以看出，原始管路第10階和第11階模態(tài)剛好在系統(tǒng)的工作頻率范圍附近，即容易產生共振現(xiàn)象。

在模態(tài)分析的基礎上，對各個方向施加載加速度功率譜密度曲線對其進行隨機振動分析，其曲線如圖7所示。

圖7 加速度功率譜密度曲線

根據(jù)上述曲線，計算隨機振動下各個方向的最大應力、位移值，結果如表2所示。由表2可知，、和方向上的最大應力值均小于材料的屈服強度；但在方向上的位移值明顯偏大，并且在方向上的其他部件布置相對較緊密，容易與其他部件產生干涉，進而破壞其結構。

表2 各方向隨機振動載荷下的最大應力和位移（一）

4 改進管路計算與分析

4.1 管路系統(tǒng)改進模型

由于整個軌姿控系統(tǒng)中外圍和中間部位無組件占用空間位置且不影響管路的布置；遂針對原始管路系統(tǒng)存在的缺陷和產生的不利影響，并結合管路布置的原則對原始管路系統(tǒng)進行如下改進：

（1）考慮管路的補償，原始管路中的直管改成彎管布置；

（2）根據(jù)“在考慮管路補償?shù)那疤嵯?，管路彎得越少越好”的原則，原始管路中直管改成彎管不應彎得太大；

（3）采用上述計算得到的＝23 mm球形空槽四通接頭替換直通槽接頭進行管路連接；

（4）考慮三通接頭流量均勻分配原則，選用垂直端為入口、水平兩端為出口。

上述對原始管路系統(tǒng)具體改進如圖8所示。

圖8 改進管路結構

4.2 模型網(wǎng)格及邊界條件

采用與原始模型相同方式對其進行網(wǎng)格劃分；管路系統(tǒng)的邊界條件根據(jù)空間結構形式進行合理布置，選取7個固定支點，材料選用相同的材料，其網(wǎng)格模型和邊界條件如圖9所示。

圖9 模型網(wǎng)格及邊界條件

4.3 模型計算及結果分析

對改進管路模型進行模擬分析，得出改進模型的前20階固有頻率值如表3所示。

表3 改進管路模態(tài)

從表3中可以看出，改進管路的固有頻率都遠離了系統(tǒng)工作的頻率910 Hz，即很好的避免了共振現(xiàn)象發(fā)生。

同樣在模態(tài)分析的基礎上，采用上述加速度功率譜密度曲線對改進模型進行隨機振動計算，得到各個方向上的最大應力、位移值，具體如表4所示。

由表4可知，、和方向上的最大應力值均小于材料的屈服強度，并且在方向上的最大位移為0.16502 mm，相比原始管路減小了0.72878 mm，效果顯著。

表4 各方向隨機振動載荷下的最大應力和位移（二）

5 分析結果對比

通過模態(tài)結果對比發(fā)現(xiàn)：原始管路模型的固有頻率剛好位于軌姿控系統(tǒng)工作頻率910 Hz附近，即容易引發(fā)共振現(xiàn)象；而改進管路模型的固有頻率最接近軌姿控系統(tǒng)工作頻率的也只有974.33 Hz，距離系統(tǒng)工作頻率較遠，很難引發(fā)共振現(xiàn)象。

通過隨機振動分析對比發(fā)現(xiàn)：原始管路模型在各個方向上的最大應力值均小于材料的屈服強度，但在方向上的位移值明顯偏大，很容易與其他部件發(fā)生干涉；而改進管路模型在方向上的應力和位移值相對原始模型分別減小了66.62 MPa和0.72878 mm，降低效果顯著，繼而避免了與其他部件發(fā)生干涉的現(xiàn)象，并且在和方向上的應力和位移值相比原始管路模型增加幅度較小。

6 結論

通過上述3種四通接頭和2款管路模型研究分析，得到以下結論：

（1）在3種四通接頭中，＝23 mm的球形四通接頭各個出口的質量流量基本相等，且能夠顯著的降低水擊壓力，但其受到布置空間的限制。

（2）改進管路模型很好的避開了系統(tǒng)工作的頻率范圍，即避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）改進管路模型減小了在方向上隨機振動的應力和位移值，有效的避免了管路系統(tǒng)與其他部件之間發(fā)生干涉。

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Simulation Analysis and Optimization of Pipeline System in an Orbit and Attitude Control System

HE Dihua1，LUO Weidong1,2，HUANG Linsen1，LIU Zhong3

( 1.School of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2.Mingde College of Guizhou University, Guiyang 550025, China; 3.Limited Liability Company of Guizhou Space Flight Sun Technology, Zunyi 563000, China )

According to the fixed position of key components in an orbit and attitude control system, using by ANSYS Workbench, the pipeline and pipe joints are analyzed and the original pipeline is enhanced by the following analysis results and the principle of pipeline arrangement. Compared with the original pipeline, this paper finds that the natural frequency of the improved pipeline model avoids the working frequency 910 Hz of the operating system. In the random vibration, the equivalent stress and displacement in thedirection are significantly reduced to 66.62 MPa and 0.72878 mm and the equivalent stress and increment of displacement in theanddirections are small. The flow distribution of the four-way pipe joint is more reasonable and it can reduce the nearly 10% water hammer pressure which can effectively improve the orbit and attitude control system layout of the pipeline.

the orbit and attitude control system；the four-way pipe joint；pipe model；simulation analysis

TH138.8+4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.003

1006－0316 (2018) 01－0011－07

2017－06－09

貴州省自主創(chuàng)新項目（KYKZ－001）；貴州省科技支撐計劃項目（黔科合支撐[2016]2319）

賀迪華（1992－），男，江西吉安人，碩士研究生，主要研究方向為姿軌控動力系統(tǒng)。

通訊作者：羅衛(wèi)東（1962－），男，貴州習水人，教授，碩士生導師，主要研究方向為姿軌控動力系統(tǒng)、汽車及其零部件設計理論與方法。