閥門(mén)導(dǎo)向桿撞擊應(yīng)力數(shù)值分析

張 翼，張 婷，滿(mǎn) 滿(mǎn)，張雨佳，陸文婷

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閥門(mén)導(dǎo)向桿撞擊應(yīng)力數(shù)值分析

張 翼1，張 婷1，滿(mǎn) 滿(mǎn)1，張雨佳2，陸文婷3

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2.首都航天機(jī)械公司，北京，100076；3.北京航天萬(wàn)源科技公司，北京，100076）

基于AMESim軟件對(duì)一種排氣閥建立了動(dòng)力學(xué)分析模型，求解了導(dǎo)向桿與主閥芯、主閥芯與閥座撞擊時(shí)刻的最大撞擊速度；基于Abaqus軟件建立了發(fā)生碰撞部件的有限元模型，求解了該撞擊速度對(duì)應(yīng)的最大撞擊應(yīng)力。研究結(jié)果表明：采用的數(shù)值分析方法可為閥門(mén)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和試驗(yàn)預(yù)示提供指導(dǎo)。

排氣閥；導(dǎo)向桿；撞擊速度；撞擊應(yīng)力

0 引 言

閥門(mén)是液體運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵單機(jī)，具有截流、調(diào)節(jié)等作用[1]。閥門(mén)中的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)定位、對(duì)中、運(yùn)動(dòng)等功能，在閥門(mén)性能中具有關(guān)鍵作用。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的精度、靈活性和可靠性是閥門(mén)最重要的功能和性能指標(biāo)之一。

箭上閥門(mén)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的故障模式包括運(yùn)動(dòng)卡滯、強(qiáng)度失效、疲勞破壞等，這些故障模式都會(huì)造成閥門(mén)功能失效[2～5]。本文對(duì)閥門(mén)導(dǎo)向桿在運(yùn)動(dòng)撞擊過(guò)程中的撞擊速度及撞擊應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，能夠?yàn)樘岣弋a(chǎn)品的性能和可靠性提供指導(dǎo)。

1 排氣閥

本文主要研究液體運(yùn)載火箭增壓系統(tǒng)的排氣閥，結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。排氣閥內(nèi)腔可以分為2部分：控制腔和主閥腔，2個(gè)腔由密封圈隔離。貯箱需要排氣時(shí)，排氣閥通過(guò)C口通入控制氣推動(dòng)副閥芯向左運(yùn)動(dòng)，副閥芯和導(dǎo)向桿再推動(dòng)主閥芯向左運(yùn)動(dòng)，從而打開(kāi)閥門(mén)。閥門(mén)打開(kāi)后，貯箱內(nèi)氣體通過(guò)排氣閥B口經(jīng)主閥腔通過(guò)A口排出。若需要關(guān)閉排氣閥，則通過(guò)C口排出控制腔內(nèi)氣體，主副閥芯和導(dǎo)向桿受彈簧力作用復(fù)位，排氣閥關(guān)閉。

排氣閥正常工作時(shí)控制氣源壓力為4.9 MPa（絕壓），貯箱壓力0.34 MPa（絕壓）。

圖1 排氣閥原理

對(duì)排氣閥工作過(guò)程進(jìn)行分析，閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中，副閥芯受到強(qiáng)制力作用向左快速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向桿將對(duì)初始為靜止的主閥芯金屬骨架產(chǎn)生撞擊。

閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，導(dǎo)向桿向右運(yùn)動(dòng)，主閥芯、導(dǎo)向桿受到彈簧力作用向右快速運(yùn)動(dòng)，主閥芯端面上的密封圈將和閥座發(fā)生撞擊。導(dǎo)向桿撞擊接觸部位結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 撞擊結(jié)構(gòu)

2 導(dǎo)向桿撞擊速度計(jì)算

根據(jù)排氣閥結(jié)構(gòu)搭建AMESim模型[6～8]，模型包括主彈簧、主閥芯、副彈簧、副閥芯、導(dǎo)向桿、主閥腔、控制腔以及控制氣源等部分具體模型見(jiàn)圖3。

圖3　排氣閥動(dòng)特性分析模型

模型設(shè)置的結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際情況進(jìn)行確定，主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。開(kāi)展仿真前，明確使用工況見(jiàn)表2。

表1 模型主要性能參數(shù)表

Tab.1 Model Main Performance Parameter Table

序號(hào)參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)值 1主彈簧剛度/（N?mm-1）21.18 2主彈簧預(yù)緊力/N180 4接觸阻尼 /(N/m?s-1)10 000 5導(dǎo)向桿與主閥芯碰撞恢復(fù)系數(shù)0.65 6導(dǎo)向桿導(dǎo)向間隙等效孔板流量系數(shù)0.72 7副彈簧剛度/（N?mm-1）3.58 8副彈簧預(yù)緊力/N40.5 9控制腔進(jìn)口等效孔板流量系數(shù)0.72

表2 模型工況表

Tab.2 Model Working Condition Table

序號(hào)參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)值 1貯箱氣（B口）介質(zhì)狀態(tài)常溫氦氣 2貯箱壓力（B口）/MPa0.34 3控制氣（C口）介質(zhì)狀態(tài)常溫氮?dú)?4控制氣壓力（C口）/MPa4.9

通過(guò)在B口保持壓力的情況下，C口加載控制氣，模擬排氣閥打開(kāi)過(guò)程，計(jì)算導(dǎo)向桿與主閥芯撞擊速度，見(jiàn)圖4。

由圖4可知，排氣閥打開(kāi)正常，在0.0007s時(shí)，導(dǎo)向桿與主閥芯發(fā)生碰撞，導(dǎo)向桿撞擊主閥芯最大速度為3.52 m/s。

圖4 導(dǎo)向桿撞擊主閥芯速度

將C口控制氣撤除，模擬排氣閥關(guān)閉，計(jì)算主閥芯撞擊閥座速度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 主閥芯撞擊閥座速度

由圖5可知，排氣閥關(guān)閉正常。導(dǎo)向桿與主閥芯脫離時(shí)主閥芯速度即為主閥芯撞擊閥座最大速度，為1.37 m/s。

3 導(dǎo)向桿撞擊應(yīng)力計(jì)算

基于Abaqus軟件建立導(dǎo)向桿撞擊有限元模型[9,10]，應(yīng)用Dynamic Explicit非線(xiàn)性模塊分析撞擊應(yīng)力。

3.1 材料屬性

計(jì)算中采用的材料性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 材料參數(shù)

Tab.3 Material Parameters

位置材料密度kg/m3彈性模量/GPa泊松比屈服強(qiáng)度s0.2/MPa抗拉強(qiáng)度sb/MPa延伸率d5 閥座/主閥芯金屬骨架2A142.8×103720.3338045010% 導(dǎo)向桿F1517.85×1031980.2973588210% 密封圈Fs-462.155×1030.4470.3925275%

3.2 仿真模型構(gòu)建

對(duì)排氣閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)撞擊受力情況分析，按照二維軸對(duì)稱(chēng)建模。導(dǎo)向桿撞擊主閥芯最大速度為3.52 m/s，主閥芯撞擊閥座最大速度為1.37 m/s。

導(dǎo)向桿撞擊主閥芯二維模型見(jiàn)圖6，導(dǎo)向桿撞擊主閥芯網(wǎng)格見(jiàn)圖7。導(dǎo)向桿撞擊主閥芯邊界條件見(jiàn)圖8，導(dǎo)向桿撞擊主閥芯載荷條件見(jiàn)圖9。主閥芯撞擊閥座二維模型見(jiàn)圖10，主閥芯撞擊閥座網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖11。主閥芯撞擊閥座邊界條件見(jiàn)圖12，主閥芯撞擊閥座載荷條件見(jiàn)圖13。

圖6 導(dǎo)向桿撞擊主閥芯二維模型

圖7 導(dǎo)向桿撞擊主閥芯網(wǎng)格

圖8 導(dǎo)向桿撞擊主閥芯邊界條件

圖9 導(dǎo)向桿撞擊主閥芯載荷條件

圖10 主閥芯撞擊閥座二維模型

圖11 主閥芯撞擊閥座網(wǎng)格劃分

圖12 主閥芯撞擊閥座邊界條件

圖13 主閥芯撞擊閥座載荷條件

3.3 計(jì)算結(jié)果

導(dǎo)向桿與主閥芯撞擊應(yīng)力見(jiàn)圖14。

圖14 導(dǎo)向桿撞擊主閥芯應(yīng)力分析結(jié)果

由圖14可知，最大應(yīng)力為402.3 MPa，在導(dǎo)向桿的端部，低于F151材料的屈服強(qiáng)度。主閥芯最大Mises應(yīng)力為229.3 MPa，位于端部撞擊區(qū)域，低于材料的屈服強(qiáng)度。

主閥芯與閥座撞擊應(yīng)力見(jiàn)圖15。

圖15 主閥芯撞擊閥座應(yīng)力分析結(jié)果

由圖15可知，最大應(yīng)力為74.5 MPa，在閥座頂端，低于材料的屈服強(qiáng)度。密封圈最大應(yīng)力為23.5 MPa，略低于材料的抗拉強(qiáng)度，但顯著高于材料的屈服強(qiáng)度。

主閥芯撞擊閥座應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖16。

由圖16可知，密封圈的撞擊部位進(jìn)入屈服，產(chǎn)生壓痕。

各撞擊部位的最大撞擊應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，導(dǎo)向桿與主閥芯、主閥芯與閥座撞擊時(shí)，撞擊部位金屬材料處最大撞擊應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，不會(huì)產(chǎn)生破壞。但密封圈顯著進(jìn)入屈服形成壓痕，建議后續(xù)在閥門(mén)多次運(yùn)動(dòng)后注意觀(guān)察密封圈狀態(tài)，必要時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理。

表4 計(jì)算結(jié)果

Tab.4 Calculated Results

序號(hào)工況最大撞擊速度m/s最大撞擊應(yīng)力MPa最大撞擊應(yīng)力位置 1導(dǎo)向桿撞擊主閥芯3.52導(dǎo)向桿402.3主閥芯229.3導(dǎo)向桿左端面/主閥芯右端面 2主閥芯撞擊閥座1.37閥座74.5密封圈23.5閥座/密封圈接觸部位

4 結(jié) 論

本文基于AMESim和Abaqus軟件對(duì)一種排氣閥建立了動(dòng)力學(xué)分析模型和有限元模型，求解了導(dǎo)向桿與主閥芯、主閥芯與閥座撞擊時(shí)刻的最大撞擊速度和撞擊應(yīng)力。這種數(shù)值分析方法可定量分析閥門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程中排氣閥導(dǎo)向桿發(fā)生撞擊時(shí)撞擊部位的最大撞擊應(yīng)力，對(duì)于閥門(mén)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、試驗(yàn)預(yù)示等具有一定的指導(dǎo)意義。

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Numerical Simulation for Impact Stress of Guide Stem in Valves

Zhang Yi1, Zang Ting1, Man Man1, Zhang Yu-jia2, Lu Wen-ting3

(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076; 2. Capital Aerospace Machinery Company, Beijing, 100076; 3. Beijing Aerospace Wanyuan Science & Technology Corporation, Beijing, 100076)

The dynamic analysis model is established based on AMESim, and the maximum impact velocity between guide stem and main spool or main spool and valve seat is obtained. Moreover, the FEA model for impacting parts is also established, and the maximum impact stress that corresponds to the maximum impact velocity is solved. The simulation method used by this paper can provide guidance for strength design and experiment prediction of guided structure in valves.

Exhaust valve; Guide stem; Impact velocity; Impact stress

1004-7182(2018)01-0045-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20180109

V421

A

2015-06-01；

2017-12-19

張 翼（1980-），男，工程師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)