[发明专利]一种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法

说明书

本发明提供一种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，将发动机结构模态试验与多机并联发动机结构仿真技术紧密结合，首先对液体火箭发动机结构模态试验数据进行相关性判定，然后利用符合相关性的模态试验数据进行单机结构仿真模型的修改，确保单机结构仿真模型的可信度，将修改后的单机仿真模型采用固定界面子结构法组装成多机并联液体火箭发动机，最后进行多机并联液体火箭发动机结构低频仿真。该方法特别适用于大型复杂结构的数值仿真模型的修改和验证，可大幅减少仿真模型修改的工作量，降低研制成本，克服了以往直接用多机并联后的模态试验数据难以修改和验证仿真模型的不足，有效地提高了多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真准确率。

技术领域

本发明涉及航天结构工程领域，具体涉及一种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法。

背景技术

在火箭发射及飞行过程中，液体火箭发动机本身就是强烈的冲击、振动和噪声源，同时也承受着最恶劣的静态内压，集中力等静载荷，还承受着全箭最强烈的振动、冲击、腔体管道内的压强脉动及高、低温等环境载荷。液体火箭发动机的结构低频特性影响运载火箭上面级和有效载荷的正常工作，同时又是全箭纵向耦合振动系统(POGO)的一个重要组成部分，其分析精度直接影响到动态载荷与环境条件，关系到整个火箭在飞行过程中的安全可靠性。特别是对于载人航天来说，低频特性还关系到宇航员的安全和舒适度。

多机并联液体火箭发动机，其各组成零部件特性迥异，种类繁多，结构复杂，涉及到正交各向异性夹层旋转壳、单层旋转壳、高速转盘、三维空间走向薄柱壳及细长梁、空间桁架、空间梁结构、柔性或刚性转子系统元器件和子系统等结构，各组件及结构子系统力学性能各不相同。多机并联液体火箭发动机整体结构仿真模型具有几万甚至几十万个自由度，若直接用多机并联后的模态试验数据修改和验证该数学模型是非常困难的，需花费大量的人力和物力成本，而且最后模型的方程组不能稳定趋于唯一解，可信度非常低，模型的仿真结果与实际相差较远。因而建立一种合理的，更加符合多机并联液体火箭发动机结构低频特性的仿真方法有着非常重大的意义。

发明内容

为了克服现有多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法采用整体建模、整体利用多机并联后的模态试验数据进行修改验证的方法可信度低且修改和验证复杂的技术问题，本发明提供一种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

(1)建立单台液体火箭发动机的结构仿真模型；

(2)确定多种状态下单机模态试验方案，所述多种状态指单台液体火箭发动机的地面固支状态、发动机与试车台连接状态、伺服机构安装与否状态；

(3)进行单机模态试验，获得单机结构频率和振型数据；

(4)根据频率和振型数据，判断前3-7阶模态试验数据的相关性，如果相关性符合要求，进行步骤5，如果相关性不满足要求，查找并改正试验错误，回到步骤3；

(5)利用相关性符合要求的模态试验数据修改单机结构仿真模型；

(6)将修改完善的单机结构仿真模型采用固定界面子结构模态综合法组装成多机并联结构仿真模型；

(7)进行多机并联发动机结构低频仿真。

上述步骤(1)中单台液体火箭发动机的推力室和涡轮泵结构仿真模型应沿其轴线选取不同的特征截面，用圆柱壳单元代替，其余组件按质量和转动惯量等效方法进行建模。

上述步骤(4)中判断前7阶模态试验数据相关性的方法为模态置信因子。

上述步骤(5)中利用相关性符合要求的模态试验数据时，先采用单机仿真结果的误差分布曲线进行待修改参数区域定位，然后调整误差大的结构质量矩阵和刚度矩阵。