固体火箭发动机试车架结构分析及其MATLAB实现
固体火箭发动机试车架是其地面点火试验的关键设备,对发动机推力、瞬态推力和负推力等测试精度有很大影响,原因在于试验过程中,试车架要承受发动机及其所有附件的压力、对发动机保持一定的姿态进行固定限位以确保发动机的轴线与测力组件对准,其结构性能对发动机工作的安全可靠性以及推力测量的精确性都有直接的影响.因此,试车架结构性能分析是发动机试验研究的一项重要内容.本文利用数值分析的方法,以某试车架为研究对象,建立了试车架主要零部件的有限元模型及其动态分析模型.通过模型简化分别进行了静力学分析,稳定性分析和模态分析.主要内容包括:首先建立了三种结构形式的板簧、过渡架、挠性件的有限元模型,编写MATLAB-m有限元计算程序对单段到多段板簧弹阻力的计算实现统一处理、并设计算法计算出过渡架的轴力与位移的关系,结果均是含有几何参数变量的解析表达式.有了解析表达式,在分析结构的目标函数随某参数的变化趋势、选取结构的最优工作点以及结构优化设计等,相比于应用软件只能对建好的结构模型输入具体的参数值输出具体的数值结果精确度更高,即通过解析式的计算结果可以更精确地对结构进行优化设计.挠性件由于其结构复杂,不宜采用编程计算,本文采用Solid Works Simulation对其进行有限元分析,得到挠性件轴向位移分布云图.设计的算法、计算思路和结果为下一步进行结构优化、失稳分析、模态分析等作准备.结构的稳定性问题是影响结构性能的另一个关键因素.试车架中板簧的结构特点和受力情况决定它是试车架中最容易失稳的零件.本文根据实际的约束和受力情况建立了板簧的失稳分析模型,编写了MATLAB-m脚本文件计算失稳力的通用程序,分别对单段、双段以及三段板簧进行了失稳力的计算.对于目前试车架中广泛使用的双段板簧,通过改变板簧的几何参数(工作段长度、刚性段长度等)进行了数值分析,研究采用Matlab-polyfit函数拟合多项式的方法分析板簧尺寸改变对稳定性的影响,研究结果显示失稳力随板簧不同几何参数具有不同的灵敏度、不同的变化趋势,计算结果为后续板簧设计提供理论参考.试车架动态性能是产生测量误差的关键影响因素之一.本文对试车架进行模型简化,得到含挠性件、过渡架、板簧、发动机-动架组合体四部分组成的简化试车架模型,对其进行固有频率计算,验证试车架固有频率远离推力振荡频率.最后分析了提高试车架固有频率的方法,得到一定的规律,分析结果为后续试车架的设计提供理论参考.本文应用有限元的方法,将MATLAB强大的数值分析功能应用到固体火箭发动机地面试验技术研究中,为未来试车架的结构设计与优化提供了新的研究途径.所设计的算法具有很大的通用性,计算只需更改初始参数即可准确快速地进行计算.本文的计算结果与思路可以在设计前进行预估和判断,为设计出高质量的试车架提供一定的理论基础.
- 作者：
- 张龙飞
- 学位授予单位：
- 航天动力技术研究院
- 专业名称：
- 仪器科学与技术
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 胡全星
- 中图分类号：
- V435
- 关键词：
- 试车架；MATLAB程序；解析关系；稳定性；动态分析
- Test frame； MATLAB program； Analytical expressions； Stability； Dynamic analysis