發(fā)動(dòng)機(jī)組合件試車(chē)架數(shù)字化設(shè)計(jì)方法

唐斌運(yùn),徐鴻鵬,劉 洋,楊戰(zhàn)偉

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，組合件熱試車(chē)既能對(duì)其實(shí)際性能與可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，又能提供大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與改進(jìn)，是必不可少的試驗(yàn)環(huán)節(jié)[1]。試車(chē)架用于產(chǎn)品的固定與支撐，是試車(chē)過(guò)程必要的設(shè)備。此類(lèi)型試車(chē)架很多是工作在脈沖及振動(dòng)載荷下的，并且發(fā)動(dòng)機(jī)需進(jìn)行熱試的組合件種類(lèi)較多，固定形式多種多樣，空間尺度變化較大，熱環(huán)境復(fù)雜，因此給試車(chē)架的設(shè)計(jì)提出了較高要求[2]。

針對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組合件熱試車(chē)的要求，本文提出了試車(chē)架數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)方法、模塊化設(shè)計(jì)理論[4]與計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)方法[5]，結(jié)合產(chǎn)品特有的振動(dòng)載荷與熱環(huán)境，對(duì)支架自身強(qiáng)度與剛度進(jìn)行仿真計(jì)算，優(yōu)化了支撐結(jié)構(gòu)布局，并對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行了量化分析，并針對(duì)長(zhǎng)管路進(jìn)行了熱應(yīng)力分析[7-10]。應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)的某發(fā)動(dòng)機(jī)滾控裝置試車(chē)架經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，能夠滿(mǎn)足振動(dòng)載荷與復(fù)雜熱環(huán)境下產(chǎn)品的固定與支撐，具有較高的適應(yīng)性與可靠性。

1 工作在復(fù)雜熱力環(huán)境下的組合件試車(chē)架組件

區(qū)別于大型試驗(yàn)的試車(chē)架，組合件試車(chē)架由于試驗(yàn)對(duì)象處于研制階段，試驗(yàn)方案經(jīng)常更改及優(yōu)化，試車(chē)架必須具有快速適應(yīng)能力，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)理論的應(yīng)用[4]，保證了試車(chē)架的快速適應(yīng)性；組合件試車(chē)架組件經(jīng)常工作在復(fù)雜熱力環(huán)境中，除結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛性滿(mǎn)足要求外，還需具有適當(dāng)?shù)哪B(tài)特性，保證試車(chē)架在試車(chē)中不會(huì)產(chǎn)生共振，結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)特性；針對(duì)跨度較大的高溫管線固定，固定點(diǎn)除了具有足夠的支撐能力外，結(jié)構(gòu)形式應(yīng)保證管內(nèi)熱應(yīng)力最小。

以某發(fā)動(dòng)機(jī)滾控裝置的實(shí)際需求為例，通過(guò)本設(shè)計(jì)方法的使用，很好的解決了脈沖振動(dòng)載荷工作環(huán)境的結(jié)構(gòu)可靠性，長(zhǎng)高溫管線的布局與支撐，軟管結(jié)構(gòu)形態(tài)需快速適應(yīng)性調(diào)整的幾個(gè)特殊要求。

2 脈沖振動(dòng)及長(zhǎng)高溫管道環(huán)境試車(chē)架數(shù)字化設(shè)計(jì)方法

以某滾控裝置組合件試車(chē)架的設(shè)計(jì)為例，通過(guò)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊化的快速適應(yīng)性設(shè)計(jì)、有限元靜態(tài)及模態(tài)分析、基于一維搜索法的熱應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)等多種方法的應(yīng)用，對(duì)整個(gè)試車(chē)架組件進(jìn)行了強(qiáng)度、模態(tài)以及熱應(yīng)力分析，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，從而保證了整個(gè)組件的穩(wěn)定性、可靠性。該數(shù)字化設(shè)計(jì)方法的流程，如圖1所示。

圖 1 滾控裝置及試車(chē)架組件

2.1 三維設(shè)計(jì)與虛擬裝配

利用PRO-E三維設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)其給出的固定、支撐位置與沖擊載荷，初步給出產(chǎn)品的固定與支撐方式，并繪制出試車(chē)架的三維模型，基于發(fā)動(dòng)機(jī)組合件的三維模型，在軟件平臺(tái)上進(jìn)行虛擬裝配，確保支撐結(jié)構(gòu)的合理可靠。

圖1給出了滾控裝置試車(chē)架組件的三維裝配圖。發(fā)動(dòng)機(jī)滾控裝置的發(fā)生器推力較大，燃?xì)夤艿篱L(zhǎng)、溫度高、空間尺度大，同時(shí)還包含一段軟管結(jié)構(gòu)，固定位置較多，空間布局復(fù)雜。利用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)與虛擬裝置，能夠直觀反映該產(chǎn)品的固定與支撐形式，保證了安裝和固定工作的順利進(jìn)行。

2.2 基于模塊化設(shè)計(jì)方法的快速適應(yīng)結(jié)構(gòu)

多個(gè)獨(dú)立單元的試車(chē)架組件形式是一種模塊化的設(shè)計(jì)思想，各個(gè)獨(dú)立的支架單元具有各自獨(dú)立的功能，組合在一起既滿(mǎn)足了組合件試車(chē)的需求，同時(shí)在支架的布置上具有了更高的靈活性和可變性，也就具有了更好的適應(yīng)性，極大的方便了現(xiàn)場(chǎng)工作中滾控裝置與試車(chē)架的配合。獨(dú)立支架單元還有利于支架的重復(fù)利用，可以滿(mǎn)足其他試車(chē)任務(wù)的需求，具有通用性和互換性，大大減小了設(shè)計(jì)難度，縮短了試車(chē)架的設(shè)計(jì)周期，大大節(jié)約了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

滾控裝置試車(chē)過(guò)程中為保證軟管形態(tài)、釋放軟管應(yīng)力，試驗(yàn)過(guò)程中需經(jīng)常調(diào)節(jié)軟管附近支架的位置，要求軟管主要支撐位置具有足夠的柔性調(diào)節(jié)能力，能快速調(diào)節(jié)可靠安裝。本方法通過(guò)多孔調(diào)節(jié)底板進(jìn)行大范圍位置調(diào)整，上部組合支架可以進(jìn)行微量位置調(diào)整，通過(guò)二者組合調(diào)整的方式使試車(chē)架具備了大范圍和高精確位置調(diào)整的能力。多孔調(diào)節(jié)底板及獨(dú)立支架單元的形式如圖2所示。

圖 2 多孔調(diào)節(jié)底板及獨(dú)立支架單元

基于此設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了最小調(diào)節(jié)能力X=30 mm，Y=30 mm，最大調(diào)節(jié)范圍X=600 mm，Y=600 mm的多孔安裝底座，其結(jié)構(gòu)調(diào)整速度快連接可靠；使用模塊化支架來(lái)完成固定軟管小偏差的調(diào)節(jié)，Z軸方向通過(guò)在抱箍及底座直接加入可更換十字梁進(jìn)行調(diào)節(jié)?？筛鼡Q十字梁的設(shè)計(jì)高度為60 mm，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行切割完成高度調(diào)節(jié)，使模塊化支架具備了最大50 mm的調(diào)節(jié)能力。其組合的支撐結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟管支撐結(jié)構(gòu)

2.3 基于靜態(tài)及模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)

以滾控裝置試車(chē)架組件中的軟管支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)為例，整個(gè)滾控裝置試車(chē)架組件受到的外力主要載荷包括發(fā)生器軸向推力以及滾控裝置所產(chǎn)生的推力。各支架除了要承受常規(guī)的靜態(tài)推力外，還需承擔(dān)由于脈沖載荷及動(dòng)態(tài)載荷的影響，支架的動(dòng)態(tài)特性必須適應(yīng)試驗(yàn)的要求，保證工作時(shí)的可靠性。故下文首先對(duì)各個(gè)獨(dú)立單元進(jìn)行靜力學(xué)受力分析，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行模態(tài)分析，確定是否會(huì)產(chǎn)生共振狀態(tài)?；谀B(tài)分析，對(duì)發(fā)生器支架以及管路支架單元進(jìn)行諧響應(yīng)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析，確定其在振動(dòng)環(huán)境下的穩(wěn)定性。圖4給出了軟管支撐的應(yīng)力與位移云圖，圖4中可見(jiàn)，在靜態(tài)受力中，平臺(tái)最大應(yīng)力為18 MPa，相應(yīng)的上表面位移僅為0.007 mm，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖 4 軟管支撐支架的應(yīng)力及位移云圖

對(duì)所設(shè)計(jì)的試車(chē)架組件各個(gè)組成單元進(jìn)行了模態(tài)分析，采用Block Lanczons法，確定其固有頻率和振型，并對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及工作狀態(tài)分析比較，對(duì)其產(chǎn)生共振的可能性進(jìn)行分析。

表1給出了發(fā)生器支架等試車(chē)架組件的前六階模態(tài)分析結(jié)果。由表1可見(jiàn)，結(jié)合燃?xì)獍l(fā)生器的振動(dòng)頻域分析，對(duì)于燃?xì)獍l(fā)生器支架而言，其共振頻率較高，與燃?xì)獍l(fā)生器在低頻下的共振區(qū)無(wú)重合，說(shuō)明在試車(chē)過(guò)車(chē)中，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能性較小。

表 1 管路支架前六階模態(tài)分析結(jié)果

因此對(duì)試車(chē)架組件的各個(gè)單元進(jìn)行諧響應(yīng)分析可以得到其在外載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即在受到燃?xì)獍l(fā)生器和滾控裝置工作而產(chǎn)生的振動(dòng)力下，各單元的振幅和激勵(lì)頻率的響應(yīng)關(guān)系曲線，從而可以驗(yàn)證是否會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。為保證在脈沖及振動(dòng)環(huán)境中的試車(chē)架可靠性，進(jìn)行了諧響應(yīng)分析。

軟管支撐平臺(tái)的諧響應(yīng)分析在其模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，確定振動(dòng)范圍為0～1 000 Hz，考慮到在600 Hz附近的加速度載荷較大，故施加振動(dòng)所產(chǎn)生的加速度載荷選為3 m/s2，

圖5為管路支架在加速度載荷作用下，支架上表面的振幅和頻率的響應(yīng)關(guān)系。在50 Hz附近，振幅最大，為0.004 mm，振幅小于設(shè)計(jì)要求位移，管路支架的工作振動(dòng)狀態(tài)與發(fā)生器支架相同，振動(dòng)頻率主要集中在4 Hz和600 Hz，在這兩個(gè)頻率附近，管路支架頻響應(yīng)較小，振幅最大僅為0.002 mm，說(shuō)明在其工作范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生共振，軟管支撐平臺(tái)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

圖5 管路支架的振幅與頻率(0～1 000 Hz)關(guān)系曲線

2.4 基于一維搜索法的熱應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)

試車(chē)架設(shè)計(jì)過(guò)程中，產(chǎn)品的固定支撐形式受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響，往往具有單一性，無(wú)法優(yōu)化。但是對(duì)于管道的支撐布局形式，則靈活多變。為了得到較好的支撐結(jié)構(gòu)形式，需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于該工程問(wèn)題變量單一，目的性較強(qiáng)，一維搜索方法即可滿(mǎn)足優(yōu)化設(shè)計(jì)的需求。常用的一維搜索方法包括二分法、牛頓法與黃金分割法[6]。具體優(yōu)化過(guò)程中，受材料選材(型材規(guī)格)以及空間布局影響，收斂較快的牛頓法比較實(shí)用。

以滾控裝置燃?xì)鈱?dǎo)管固定方式為例，燃?xì)鈱?dǎo)流管內(nèi)有接近400 ℃的高溫燃?xì)猓砸欢ǖ乃俣攘鬟^(guò)。高速高溫燃?xì)庖环矫鏁?huì)使導(dǎo)流管產(chǎn)生膨脹變形；另一方面也會(huì)對(duì)彎管產(chǎn)生沖擊變形。由于彎管主要由三個(gè)結(jié)構(gòu)鋼支架對(duì)其進(jìn)行支撐，因此，支撐結(jié)構(gòu)的好壞，會(huì)對(duì)彎管的變形產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)需保證彎管內(nèi)應(yīng)力在許用范圍內(nèi)。需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的為三根燃?xì)鈱?dǎo)流管的支撐立柱，立柱的支撐位置會(huì)直接影響燃?xì)鈱?dǎo)流管的變形和內(nèi)應(yīng)力。

使用ANSYS熱分析模塊，對(duì)管道在受的熱變形及熱應(yīng)力進(jìn)行了分析。將管路尺寸及不同約束形式作為輸入條件，以?xún)?yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式能夠保證管內(nèi)熱應(yīng)力最小為目標(biāo)，采用一維搜索法對(duì)輸入條件組合進(jìn)行了尋優(yōu)，并將尋優(yōu)結(jié)果作為設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)管道及支撐方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本次尋優(yōu)的目標(biāo)為燃?xì)鈱?dǎo)流管的變形量最小，約束條件為所產(chǎn)生的熱應(yīng)力值在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，通過(guò)優(yōu)化找到了最優(yōu)固定方式，減少了高溫長(zhǎng)管路固定的內(nèi)應(yīng)力，提高了支撐結(jié)構(gòu)的可靠性。試車(chē)架組件最優(yōu)解下的熱應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖 6 試車(chē)架組件最優(yōu)解下的熱應(yīng)力云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用本文提出的發(fā)動(dòng)機(jī)組件試車(chē)架設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了試車(chē)架的全三維設(shè)計(jì)；有限元分析方法與優(yōu)化設(shè)計(jì)思想的應(yīng)用，提高了試車(chē)架設(shè)計(jì)的可靠性與實(shí)用性；模塊化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了組合件試車(chē)架的適用性。以某發(fā)動(dòng)機(jī)滾控裝置試車(chē)架為例，其支架與平臺(tái)均能應(yīng)用于其他組合件熱試車(chē)，可以節(jié)約試車(chē)成本，提高設(shè)計(jì)工作效率。實(shí)踐證明，以該方法設(shè)計(jì)的試車(chē)架組件能夠滿(mǎn)足滾控裝置以及其他發(fā)動(dòng)機(jī)組合件的熱試車(chē)需求。