[发明专利]一种输送管动强度分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于输送管的动强度分析方法，属于运载火箭力学环境技术领域。

背景技术

疲劳失效是弹（箭）体结构件最常见的破坏模式之一，随着在研运载型号推力的提升，输送管特别是发动机舱内的输送管振动量级相应增加，载荷环境比较恶劣，动强度成为输送管是否满足使用要求的关键指标。

传统的疲劳寿命估算方法是通过试验获得危险点的应力—时间历程,采用不同的计数方法,将不规则应力时间历程转化为不同应力幅下的循环次数,再利用疲劳累积损伤理论估算疲劳损伤及寿命。但对于输送管，由于缺乏试验条件，无法获得危险点的应力时间历程，因此只能采用基于频域的统计方法来估算疲劳寿命。

目前基于频域的统计方法仅针对振动载荷下的动强度进行分析，未考虑输送管承受内压、温度及位移等静载荷对动强度的影响；仅针对实体结构的动强度进行分析，未考虑输送管内部携带推进剂重量的影响；采用应力分量功率谱密度作为参量进行疲劳寿命估算，则输送管处于多轴应力状态下时，忽略了其他应力分量的影响。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种输送管动强度分析方法，本方法通过采集频率域内的主要信息-功率谱密度，根据频率域内载荷过程的统计量分析完成输送管路的强度分析，本发明解决了管路疲劳寿命的评估标准问题，填补了管路设计领域在该专业方面的空白。

本发明的技术解决方案是：

一种输送管动强度分析方法包括步骤如下：

（1）首先将推进剂重量等效处理后，在有限元软件Abaqus中对输送管进行建模，所述的输送管道建模包括输送管的几何属性和材料属性；

（2）判断输送管模型几何和材料的正确性，若不正确返回步骤（1），若正确则对模型施加内压、位移和温度载荷，利用有限元软件Abaqus（采用static general模块）进行静强度分析；

（3）判断输送管静强度是否满足要求，若不满足要求，改进输送管道结构返回步骤（1），若满足要求，则利用有限元软件Abaqus（采用Frequency模块）进行模态分析；

（4）利用有限元软件Abaqus（采用Random response模块），结合步骤（3）中分析得到的模态以及对模型施加随机激励（例如：加速度功率谱密度）进行随机响应分析得到的应力分量均方根及功率谱密度；

（5）对步骤（4）中分析得到的应力分量均方根及功率谱密度，根据Mises应力功率谱密度估算方法计算Mises应力功率谱密度；

（6）根据步骤（5）中计算得到的Mises应力功率谱密度，由Dirlik公式计算出输送管的疲劳损伤；

（7）判断输送管疲劳损伤是否满足要求，若不满足要求，改进输送管道结构后返回步骤（1），若满足要求，则结束。

所述步骤（1）中推进剂重量等效处理包括如下步骤：

输送管等效密度ρ通过公式得到：

其中，D为输送管路内径，δ为输送管路壁厚，ρ₁为输送管材密度，ρ₂为推进剂密度。

所述步骤（3）中判断输送管静强度是否满足要求包括如下步骤：

（a）输送管静强度安全因子η通过如下公式得到：

其中，σ为静强度分析得到的输送管Mises应力，σ_s为管路材料在设计温度下的屈服强度；

（b）若η≥1，则输送管静强度满足要求，反之若η<1不满足要求。

所述步骤（5）中Mises应力功率谱密度估算方法如下：

输送管Mises应力谱密度G(σ_M)通过如下公式得到：

其中，G(σ₁₁)、G(σ₂₂)、G(σ₁₂)为随机响应分析得到的输送管各应力分量的谱密度。

所述步骤（6）中疲劳损伤计算方法如下：

输送管疲劳损伤D_L通过如下公式得到：

其中，C、m为材料疲劳曲线参数，σ_b为管路材料在设计温度下的强度极限，T为输送管振动时间，p(S)为Mises应力概率密度，E[p]为单位之间内的峰值数。

所述单位之间内的峰值数E[p]通过如下公式得到：

其中，f₁为随机激励的频率下限，f₂为随机激励的频率上限。