关键词:
运载火箭发动机
随机振动
非平稳随机过程
疲劳寿命
疲劳反应谱
摘要:
运载火箭发动机作为火箭的“心脏”,由推力室、涡轮泵、机架以及多种功能性组件所构成,系统的复杂化程度极高,在服役周期内还承受脉动压力、紊乱气流和高强度噪声等带有随机性的极端载荷,结构动力学问题异常突出。长期以来,针对发动机的振动响应研究中,由于将随机载荷模型化会产生较高的计算量,一般将其近似为确定性或一致平稳随机激励,这种分析模式使得响应偏于保守,如何在经济成本与安全性兼具的前提下进行随机振动研究至关重要。此外,结构动力学问题还会导致发动机的疲劳、断裂和碰磨等故障频发,现有的疲劳寿命评估方法计算效率普遍偏低,同时发动机在研制阶段还面临多次结构修改与重分析工作,耗费大量的人力和物力。基于上述问题,本文针对运载火箭发动机的随机振动响应开展了高效且更为合理的分析,并建立针对发动机的疲劳寿命的快速评估方法,有助于在保障发动机可靠性的同时降低计算成本。本论文的主要工作内容具体分为:
(1)针对一致平稳随机激励作用下的运载火箭发动机有限元模型,应用虚拟激励法求解发动机结构随机振动响应;相较于传统方法,虚拟激励法在保持较高精度的同时计算效率有着极大提升。
(2)针对运载火箭发动机在飞行和运输情况下所面临的多点输入问题,推导了基于位移输入模型的多点输入理论表达模型,并充分考虑激励作用方式、相干性关系和约束方式等多方面因素的影响,给出多点输入振动的影响程度与振动响应变化规律,验证了考虑多点输入的必要性。
(3)根据运载火箭发动机所处的非平稳随机振动环境进行研究,对一致激励下的平稳和非平稳随机响应进行比较,通过不同调制函数模拟各类振动情况。非平稳随机响应在时变性较为显著,与调制函数的选取存在较大影响。对于多点输入下的非平稳随机振动响应,进一步考虑到激励间相干性的影响,在不同相干性情况下的响应时变特征变化较大。
(4)将工程中现有的常用疲劳寿命评估方法应用于运载火箭发动机中,通过对比计算结果给出各方法的优缺点;随后针对现有方法计算效率普遍偏低的问题,基于疲劳反应谱方法,建立针对运载火箭发动机的疲劳寿命评估策略,有效避免了功率谱密度与谱矩的运算,在保留和单矩法相同精度的情况下极大缩短了疲劳计算时间,为发动机的疲劳分析研究提供了有利参考。