[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

摘要

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。

主权项

1.一种多机并联液体火箭发动机结构低频的仿真方法，其特征在于：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；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；(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；判断前7阶模态试验数据相关性的方法为模态置信因子；(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；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；(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；液体火箭发动机固定界面子结构模态综合法的计算方法为：以单台液体火箭发动机作为子结构α为例，在无阻尼自由振动下的运动方程为其中i为子结构内部物理坐标，j为结构边界物理坐标，fj为结构边界力向量，M为子结构的质量矩阵，X为子结构的位移向量，K为子结构的刚度矩阵；以固定界面条件为例，引入Xj＝0，展开式(3)的第一行，可得式(4)的特征方程为[Kii‑λ2Mii]Φi＝0   (5)其中Φi为子结构的主模态，λ为子结构的特征频率；按照约束模态的定义，可得其中Ijj为依次给予j个界面坐标的单位位移，Ψij为子结构内部坐标的静力位移响应，Fjj为约束界面上的反力矩阵；由于单台液体火箭发动机子结构的高阶主模态对整体结构的低频振动贡献较小，因此可以截断部件的高阶主模态，则子结构α的结点位移为其中Φik为子结构的低阶主模态，uk、uj为子结构的模态坐标；同理可得另一单台液体火箭发动机子结构β的结点位移；根据界面位移协调条件，消去子结构α和β中不独立的元素，可得缩聚后的主模态坐标q的表达式u＝Sq   (8)其中u＝{u^α u^β}^T，I为单位矩阵；将式(7)、(8)代入式(3)及另一子结构β运动方程，运用拉格朗日第二类方程，可得双机并联液体火箭发动机整体结构的运动方程其中M_c＝S^TM_lS；K_c＝S^TK_lS；将液体火箭发动机两个子结构α和β通过式(9)合并后可以视为一个新的单个液体火箭发动机子结构，然后根据式(3)‑(9)与另一台液体火箭发动机子结构进行组装，以此类推，完成多台液体火箭发动机子结构的组装；(7)采用Lanczos迭代法进行多机并联发动机结构低频仿真。