發(fā)動機組合件試車架數字化設計方法

唐斌運,徐鴻鵬,劉 洋,楊戰(zhàn)偉

(西安航天動力試驗技術研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

在液體火箭發(fā)動機研制過程中，組合件熱試車既能對其實際性能與可靠性進行驗證，又能提供大量試驗數據用于發(fā)動機的研制與改進，是必不可少的試驗環(huán)節(jié)[1]。試車架用于產品的固定與支撐，是試車過程必要的設備。此類型試車架很多是工作在脈沖及振動載荷下的，并且發(fā)動機需進行熱試的組合件種類較多，固定形式多種多樣，空間尺度變化較大，熱環(huán)境復雜，因此給試車架的設計提出了較高要求[2]。

針對液體火箭發(fā)動機組合件熱試車的要求，本文提出了試車架數字化設計方法，應用計算機三維設計方法、模塊化設計理論[4]與計算機輔助工程(CAE)方法[5]，結合產品特有的振動載荷與熱環(huán)境，對支架自身強度與剛度進行仿真計算，優(yōu)化了支撐結構布局，并對其振動特性進行了量化分析，并針對長管路進行了熱應力分析[7-10]。應用該方法設計的某發(fā)動機滾控裝置試車架經過驗證，能夠滿足振動載荷與復雜熱環(huán)境下產品的固定與支撐，具有較高的適應性與可靠性。

1 工作在復雜熱力環(huán)境下的組合件試車架組件

區(qū)別于大型試驗的試車架，組合件試車架由于試驗對象處于研制階段，試驗方案經常更改及優(yōu)化，試車架必須具有快速適應能力，通過模塊化設計理論的應用[4]，保證了試車架的快速適應性；組合件試車架組件經常工作在復雜熱力環(huán)境中，除結構強度及剛性滿足要求外，還需具有適當的模態(tài)特性，保證試車架在試車中不會產生共振，結構具有良好的動態(tài)特性；針對跨度較大的高溫管線固定，固定點除了具有足夠的支撐能力外，結構形式應保證管內熱應力最小。

以某發(fā)動機滾控裝置的實際需求為例，通過本設計方法的使用，很好的解決了脈沖振動載荷工作環(huán)境的結構可靠性，長高溫管線的布局與支撐，軟管結構形態(tài)需快速適應性調整的幾個特殊要求。

2 脈沖振動及長高溫管道環(huán)境試車架數字化設計方法

以某滾控裝置組合件試車架的設計為例，通過三維結構設計、模塊化的快速適應性設計、有限元靜態(tài)及模態(tài)分析、基于一維搜索法的熱應力優(yōu)化設計等多種方法的應用，對整個試車架組件進行了強度、模態(tài)以及熱應力分析，對薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，從而保證了整個組件的穩(wěn)定性、可靠性。該數字化設計方法的流程，如圖1所示。

圖 1 滾控裝置及試車架組件

2.1 三維設計與虛擬裝配

利用PRO-E三維設計軟件，根據其給出的固定、支撐位置與沖擊載荷，初步給出產品的固定與支撐方式，并繪制出試車架的三維模型，基于發(fā)動機組合件的三維模型，在軟件平臺上進行虛擬裝配，確保支撐結構的合理可靠。

圖1給出了滾控裝置試車架組件的三維裝配圖。發(fā)動機滾控裝置的發(fā)生器推力較大，燃氣管道長、溫度高、空間尺度大，同時還包含一段軟管結構，固定位置較多，空間布局復雜。利用計算機三維設計與虛擬裝置，能夠直觀反映該產品的固定與支撐形式，保證了安裝和固定工作的順利進行。

2.2 基于模塊化設計方法的快速適應結構

多個獨立單元的試車架組件形式是一種模塊化的設計思想，各個獨立的支架單元具有各自獨立的功能，組合在一起既滿足了組合件試車的需求，同時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性，極大的方便了現場工作中滾控裝置與試車架的配合。獨立支架單元還有利于支架的重復利用，可以滿足其他試車任務的需求，具有通用性和互換性，大大減小了設計難度，縮短了試車架的設計周期，大大節(jié)約了時間和經費。

滾控裝置試車過程中為保證軟管形態(tài)、釋放軟管應力，試驗過程中需經常調節(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節(jié)能力，能快速調節(jié)可靠安裝。本方法通過多孔調節(jié)底板進行大范圍位置調整，上部組合支架可以進行微量位置調整，通過二者組合調整的方式使試車架具備了大范圍和高精確位置調整的能力。多孔調節(jié)底板及獨立支架單元的形式如圖2所示。

圖 2 多孔調節(jié)底板及獨立支架單元

基于此設計方法設計了最小調節(jié)能力X=30 mm，Y=30 mm，最大調節(jié)范圍X=600 mm，Y=600 mm的多孔安裝底座，其結構調整速度快連接可靠；使用模塊化支架來完成固定軟管小偏差的調節(jié)，Z軸方向通過在抱箍及底座直接加入可更換十字梁進行調節(jié)。可更換十字梁的設計高度為60 mm，現場根據實際需要進行切割完成高度調節(jié)，使模塊化支架具備了最大50 mm的調節(jié)能力。其組合的支撐結構如圖3所示。

圖3 軟管支撐結構

2.3 基于靜態(tài)及模態(tài)分析的結構可靠性設計

以滾控裝置試車架組件中的軟管支撐平臺設計為例，整個滾控裝置試車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，還需承擔由于脈沖載荷及動態(tài)載荷的影響，支架的動態(tài)特性必須適應試驗的要求，保證工作時的可靠性。故下文首先對各個獨立單元進行靜力學受力分析，在靜力學分析的基礎上，對各個單元進行模態(tài)分析，確定是否會產生共振狀態(tài)。基于模態(tài)分析，對發(fā)生器支架以及管路支架單元進行諧響應分析和隨機振動分析，確定其在振動環(huán)境下的穩(wěn)定性。圖4給出了軟管支撐的應力與位移云圖，圖4中可見，在靜態(tài)受力中，平臺最大應力為18 MPa，相應的上表面位移僅為0.007 mm，均滿足設計要求。

圖 4 軟管支撐支架的應力及位移云圖

對所設計的試車架組件各個組成單元進行了模態(tài)分析，采用Block Lanczons法，確定其固有頻率和振型，并對現有試驗數據以及工作狀態(tài)分析比較，對其產生共振的可能性進行分析。

表1給出了發(fā)生器支架等試車架組件的前六階模態(tài)分析結果。由表1可見，結合燃氣發(fā)生器的振動頻域分析，對于燃氣發(fā)生器支架而言，其共振頻率較高，與燃氣發(fā)生器在低頻下的共振區(qū)無重合，說明在試車過車中，結構發(fā)生共振的可能性較小。

表 1 管路支架前六階模態(tài)分析結果

因此對試車架組件的各個單元進行諧響應分析可以得到其在外載荷作用下的動態(tài)響應，即在受到燃氣發(fā)生器和滾控裝置工作而產生的振動力下，各單元的振幅和激勵頻率的響應關系曲線，從而可以驗證是否會產生共振現象。為保證在脈沖及振動環(huán)境中的試車架可靠性，進行了諧響應分析。

軟管支撐平臺的諧響應分析在其模態(tài)分析的基礎上進行，確定振動范圍為0～1 000 Hz，考慮到在600 Hz附近的加速度載荷較大，故施加振動所產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關系。在50 Hz附近，振幅最大，為0.004 mm，振幅小于設計要求位移，管路支架的工作振動狀態(tài)與發(fā)生器支架相同，振動頻率主要集中在4 Hz和600 Hz，在這兩個頻率附近，管路支架頻響應較小，振幅最大僅為0.002 mm，說明在其工作范圍內，不會產生共振，軟管支撐平臺具有良好的動態(tài)特性。

圖5 管路支架的振幅與頻率(0～1 000 Hz)關系曲線

2.4 基于一維搜索法的熱應力優(yōu)化設計

試車架設計過程中，產品的固定支撐形式受產品結構影響，往往具有單一性，無法優(yōu)化。但是對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構形式，需進行優(yōu)化設計。由于該工程問題變量單一，目的性較強，一維搜索方法即可滿足優(yōu)化設計的需求。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用。

以滾控裝置燃氣導管固定方式為例，燃氣導流管內有接近400 ℃的高溫燃氣，以一定的速度流過。高速高溫燃氣一方面會使導流管產生膨脹變形；另一方面也會對彎管產生沖擊變形。由于彎管主要由三個結構鋼支架對其進行支撐，因此，支撐結構的好壞，會對彎管的變形產生一定的影響，同時需保證彎管內應力在許用范圍內。需要進行優(yōu)化設計的為三根燃氣導流管的支撐立柱，立柱的支撐位置會直接影響燃氣導流管的變形和內應力。

使用ANSYS熱分析模塊，對管道在受的熱變形及熱應力進行了分析。將管路尺寸及不同約束形式作為輸入條件，以優(yōu)化后的結構形式能夠保證管內熱應力最小為目標，采用一維搜索法對輸入條件組合進行了尋優(yōu)，并將尋優(yōu)結果作為設計參數，對管道及支撐方式進行了優(yōu)化設計。

本次尋優(yōu)的目標為燃氣導流管的變形量最小，約束條件為所產生的熱應力值在材料許用應力范圍內，通過優(yōu)化找到了最優(yōu)固定方式，減少了高溫長管路固定的內應力，提高了支撐結構的可靠性。試車架組件最優(yōu)解下的熱應力云圖如圖6所示。

圖 6 試車架組件最優(yōu)解下的熱應力云圖

3 結束語

應用本文提出的發(fā)動機組件試車架設計方法，實現了試車架的全三維設計；有限元分析方法與優(yōu)化設計思想的應用，提高了試車架設計的可靠性與實用性；模塊化設計增強了組合件試車架的適用性。以某發(fā)動機滾控裝置試車架為例，其支架與平臺均能應用于其他組合件熱試車，可以節(jié)約試車成本，提高設計工作效率。實踐證明，以該方法設計的試車架組件能夠滿足滾控裝置以及其他發(fā)動機組合件的熱試車需求。