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结构动力学分析工程应用介绍本讲稿第一页，共十七页一、一、飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行器分离面（接头）对固有特性的影响 大部分火箭、导弹类型的飞行器都具有较多的接头，它们使全弹的刚度分布发大部分火箭、导弹类型的飞行器都具有较多的接头，它们使全弹的刚度分布发生局部扰动，如图所示。生局部扰动，如图所示。本讲稿第二页，共十七页一、一、飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行器分离面（接头）对固有特性的影响导导 弹弹 名名 称称接接 头头 数数刚刚 度度 损损 失失 K注注“响尾蛇”413近程攻击导弹SRAM631中程攻击导弹MR731远程标准导弹ER733“不死鸟”1049接头使刚度损失可达接头使刚度损失可达(3040)%,如表如表81所示所示表表 8 81 1本讲稿第三页，共十七页一、一、飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行器分离面（接头）对固有特性的影响 对弹体固有特性的影响对弹体固有特性的影响1.1.使全弹的固有频率下降使全弹的固有频率下降 由于接头削弱了附近弹体的刚度，同时接头处往往存在空隙，因而它们都由于接头削弱了附近弹体的刚度，同时接头处往往存在空隙，因而它们都使全弹的固有频率降低。影响程度与接头的数量、类型、位置相关。表使全弹的固有频率降低。影响程度与接头的数量、类型、位置相关。表8-2中列中列举了一些导弹的一阶频率由于接头而引起的下降情况。举了一些导弹的一阶频率由于接头而引起的下降情况。导导 弹弹 名名 称称接接 头头 数数一阶固有频率下降一阶固有频率下降“响尾蛇”47近程攻击导弹SRAM617中程攻击导弹MR717远程标准导弹ER718“不死鸟”1033表表 8-28-2本讲稿第四页，共十七页一、一、飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行器分离面（接头）对固有特性的影响 对弹体固有特性的影响对弹体固有特性的影响2.2.使全弹的振动发生畸形使全弹的振动发生畸形 接头的存在，改变了刚度分布，必然使振型形状、接头的存在，改变了刚度分布，必然使振型形状、节点节点位置发生变化。在控制系位置发生变化。在控制系统的设计中节点位置是个重要参数，所以，为了精确确定振型，必须考虑接头的响应。统的设计中节点位置是个重要参数，所以，为了精确确定振型，必须考虑接头的响应。图图8-2所示为某弹前三阶振型受接头影响的变换情况。所示为某弹前三阶振型受接头影响的变换情况。图中图中x为弹体轴向坐标，坐标原点设在弹体头部理论顶点，为弹体轴向坐标，坐标原点设在弹体头部理论顶点，为振型幅值。为振型幅值。应当注意，同样的接头，所处的位置不同影响也不同。一般来讲，在导弹弹应当注意，同样的接头，所处的位置不同影响也不同。一般来讲，在导弹弹体中部的接头影响更加突出。体中部的接头影响更加突出。本讲稿第五页，共十七页一、一、飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行器分离面（接头）对固有特性的影响 分析方法分析方法 精确地用纯分析方法考虑接头进行固有特性计算是困难的，一般都采用实验与精确地用纯分析方法考虑接头进行固有特性计算是困难的，一般都采用实验与分析结合的方法。全弹的计算模型可以选用一维梁式模型或三维壳体模型，分析结合的方法。全弹的计算模型可以选用一维梁式模型或三维壳体模型，接头则可接头则可分为处理为集中弯曲弹簧或沿分离面周线分布的弹性组件分为处理为集中弯曲弹簧或沿分离面周线分布的弹性组件。处理这类模型的。处理这类模型的关键是这些弹关键是这些弹性件柔度的确定性件柔度的确定。对于集中弯度弹簧，其柔度确定的方法有以下几种。对于集中弯度弹簧，其柔度确定的方法有以下几种。1.1.类比法类比法 参照已有的导弹接头的柔度数据，用相似类比方法，推测所设计的接头的柔度。参照已有的导弹接头的柔度数据，用相似类比方法，推测所设计的接头的柔度。2.2.经验公式法经验公式法Alley和和Leadbetfer根据大量实验的统计，归纳出以下经验公式根据大量实验的统计，归纳出以下经验公式式中式中 第第i个接头的弯曲柔度；个接头的弯曲柔度；接头处弹身直径（英寸）接头处弹身直径（英寸）柔度系数，根据接头的不同类型已制成表格供查（表柔度系数，根据接头的不同类型已制成表格供查（表8-3）本讲稿第六页，共十七页一、一、飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行器分离面（接头）对固有特性的影响接头分类Ai额定值范围优10-10310-10良10-9310-10310-9中10-8310-9310-8差10-7310-8310-7表表 9-3此经验公式是以英制给出的，使用时应予注意。此经验公式是以英制给出的，使用时应予注意。3.3.实验测定法实验测定法4.4.其它方法其它方法 当已具有实体结构时，可通过静力实验或动力实验得到各个接头实际柔度。不过，实当已具有实体结构时，可通过静力实验或动力实验得到各个接头实际柔度。不过，实验中应注意消除弹性弯曲的影响。验中应注意消除弹性弯曲的影响。也可采用有限元或最佳拟合的分析方法来确定接头的柔度，不过方法复杂也可采用有限元或最佳拟合的分析方法来确定接头的柔度，不过方法复杂而精度并不理想。而精度并不理想。分析方法分析方法本讲稿第七页，共十七页一、一、飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行器分离面（接头）对固有特性的影响 总之，随着飞行器对固有频率、振型、振型斜率的数量与精度要求日益提高，总之，随着飞行器对固有频率、振型、振型斜率的数量与精度要求日益提高，接头产生的影响必须予以考虑。由于接头类型较多，单纯的分析方法尚未完善，接头产生的影响必须予以考虑。由于接头类型较多，单纯的分析方法尚未完善，目前主要依靠实验来确定特性参数目前主要依靠实验来确定特性参数柔度柔度。将所得柔度参量代入系统模型，即可计。将所得柔度参量代入系统模型，即可计得较为精确得全弹固有特性。得较为精确得全弹固有特性。分析方法分析方法本讲稿第八页，共十七页 问题的特点问题的特点二、二、贮箱内液体晃动对固有特性的影响贮箱内液体晃动对固有特性的影响晃动频率及晃动激烈程度均与下列因素有关：晃动频率及晃动激烈程度均与下列因素有关：(1)容器形状；容器形状；(2)推进器性质；推进器性质；(3)阻尼隔板设置情况；阻尼隔板设置情况；(4)推进剂液面高度；推进剂液面高度；(5)加速度场的情况。加速度场的情况。在飞行过程中，随着燃料不断燃烧，推进剂液面情况不断发生变化，从而对系统固有特性的影响也随之变在飞行过程中，随着燃料不断燃烧，推进剂液面情况不断发生变化，从而对系统固有特性的影响也随之变化。这是本问题的主要特点。一般说来，为了掌握整个飞行过程的固有特性情况，就要分析各个不同的推进剂化。这是本问题的主要特点。一般说来，为了掌握整个飞行过程的固有特性情况，就要分析各个不同的推进剂燃烧阶段的频率与振型。燃烧阶段的频率与振型。另外一个特点是，一般只需考虑低阶情况，特别是一阶情况。因为经研究指出，对于圆柱壳体，二阶晃动另外一个特点是，一般只需考虑低阶情况，特别是一阶情况。因为经研究指出，对于圆柱壳体，二阶晃动质量仅为一阶晃动质量的质量仅为一阶晃动质量的3，而且在高阶情况下液体内部将产生紊乱的扰动，使阻尼激增，故二阶以上可不，而且在高阶情况下液体内部将产生紊乱的扰动，使阻尼激增，故二阶以上可不予考虑。予考虑。本讲稿第九页，共十七页 推进剂晃动频率的确定推进剂晃动频率的确定二、二、贮箱内液体晃动对固有特性的影响贮箱内液体晃动对固有特性的影响 工程上常采用当量变换的方法，在对壳体壁作用的力与力矩相等、频率相当的条件下，将液体晃动模型等价代工程上常采用当量变换的方法，在对壳体壁作用的力与力矩相等、频率相当的条件下，将液体晃动模型等价代换为机械力学模型。一旦建立了当量机械模型，对于各种飞行器的液体晃动问题，可根据它们的液体参量、飞行状换为机械力学模型。一旦建立了当量机械模型，对于各种飞行器的液体晃动问题，可根据它们的液体参量、飞行状态参量、飞行器参量很容易地确定出当量机械模型参量，从而确定出晃动频率。一般采用的液体侧向晃动当量机械态参量、飞行器参量很容易地确定出当量机械模型参量，从而确定出晃动频率。一般采用的液体侧向晃动当量机械模型有两种。模型有两种。1.1.弹簧质量模型弹簧质量模型 根据壳体半径及液面高度，可按流体动力学分析导得根据壳体半径及液面高度，可按流体动力学分析导得的当量公式确定贮箱中液体固定质量的当量公式确定贮箱中液体固定质量m0、晃动质量、晃动质量m1。晃动质量的运动受到弹簧与阻尼器的约束，其模型如图晃动质量的运动受到弹簧与阻尼器的约束，其模型如图8-10所示。所示。模型中阻尼系数模型中阻尼系数C、弹簧刚度、弹簧刚度K1都按流体动力学导得都按流体动力学导得的当量公式确定。当阻尼较小时，阻尼的作用可以忽略。的当量公式确定。当阻尼较小时，阻尼的作用可以忽略。本讲稿第十页，共十七页 推进剂晃动频率的确定推进剂晃动频率的确定二、二、贮箱内液体晃动对固有特性的影响贮箱内液体晃动对固有特性的影响2.2.自由摆模型自由摆模型 从晃动的物理现象来看，将它等价为一个当量摆是无可非议的。此模型如图从晃动的物理现象来看，将它等价为一个当量摆是无可非议的。此模型如图8-11所示。其中所示。其中 等参量等参量也是由流体动力学分析得到的当量公式来确定。也是由流体动力学分析得到的当量公式来确定。进行这种模型代换后，液体晃动问题的处理就与结构系统的其它部件的处理方式完全相同。考虑进行这种模型代换后，液体晃动问题的处理就与结构系统的其它部件的处理方式完全相同。考虑到将它们并入全系统模型的方便性，在飞行器动态分析中更习惯与采用弹簧质量模型。由两种模型均到将它们并入全系统模型的方便性，在飞行器动态分析中更习惯与采用弹簧质量模型。由两种模型均取一个运动质量点取一个运动质量点 m1 可知，模型中值考虑晃动的一阶模态。可知，模型中值考虑晃动的一阶模态。本讲稿第十一页，共十七页 并入全系统动态分析的两种方式并入全系统动态分析的两种方式二、二、贮箱内液体晃动对固有特性的影响贮箱内液体晃动对固有特性的影响液体晃动的动态特征引入全系统的方式有以下两种。液体晃动的动态特征引入全系统的方式有以下两种。(1)将它从基本模型中分离出来，单独拟定模型，导出其刚度、阻尼、惯性的等特性参量，然后以独立的将它从基本模型中分离出来，单独拟定模型，导出其刚度、阻尼、惯性的等特性参量，然后以独立的广义坐标耦合到总系统中去构成总运动方程，联立求解。这样求解的优点是，可以形象地看到晃动的液体在广义坐标耦合到总系统中去构成总运动方程，联立求解。这样求解的优点是，可以形象地看到晃动的液体在整个系统动态特性中的地位与作用。整个系统动态特性中的地位与作用。(2)将晃动液体的质量特性、刚度特性直接并入全将晃动液体的质量特性、刚度特性直接并入全系统模型对应位置上，如图系统模型对应位置上，如图8-12所示。对于流体晃动的影响，所示。对于流体晃动的影响，则在总系统中增加一个分支系统反映。这种考虑方式简单，但较为则在总系统中增加一个分支系统反映。这种考虑方式简单，但较为粗糙。有飞行器在动态分析时，初始阶段采用此法处理，在最后分粗糙。有飞行器在动态分析时，初始阶段采用此法处理，在最后分析阶段则改用第一种方式处理。析阶段则改用第一种方式处理。“土星土星V”发射器就经历了这一发射器就经历了这一过程。过程。本讲稿第十二页，共十七页 并入全系统动态分析的两种方式并入全系统动态分析的两种方式二、二、贮箱内液体晃动对固有特性的影响贮箱内液体晃动对固有特性的影响 关于晃动液体对全系统动态固有特性的影响，其处理方法虽然基本上可以满足关于晃动液体对全系统动态固有特性的影响，其处理方法虽然基本上可以满足工程需求，但是，由于液体的晃动而使结构固有特性频带变宽，增加了发生耦合振工程需求，但是，由于液体的晃动而使结构固有特性频带变宽，增加了发生耦合振动的可能性；另外，它提供了一个激励源，是导致系统动态失稳的渠道之一；同时，动的可能性；另外，它提供了一个激励源，是导致系统动态失稳的渠道之一；同时，由于燃料量在整个飞行器中不断变化，从而使全系统固有频率与振型都成为由于燃料量在整个飞行器中不断变化，从而使全系统固有频率与振型都成为时间的时间的变化量；这些都给动力设计带来了附加困难。为此，变化量；这些都给动力设计带来了附加困难。为此，工程上往往采用结构措施（如设计阻尼工程上往往采用结构措施（如设计阻尼挡板，采用集束式贮箱）或系统化措施（燃料按程序转移，燃烧次序化等），尽量降低液体晃动所挡板，采用集束式贮箱）或系统化措施（燃料按程序转移，燃烧次序化等），尽量降低液体晃动所产生的动力影响。产生的动力影响。本讲稿第十三页，共十七页三、8HZ振动现象n 从杨利伟的不适改起从杨利伟的不适改起n20032003年年1010月，航天员杨利伟搭乘月，航天员杨利伟搭乘“神舟五号神舟五号”升空时，曾在一个短暂的时升空时，曾在一个短暂的时间内感到非常不适。长二间内感到非常不适。长二F F火箭研制人员在了解到这一情况后，立即分析数据查找原因。火箭研制人员在了解到这一情况后，立即分析数据查找原因。数据分析显示，火箭在上升期间曾出现过短暂的数据分析显示，火箭在上升期间曾出现过短暂的共振现象共振现象。为此研制人员对发射。为此研制人员对发射“神舟六号神舟六号”飞船的长二飞船的长二F F火箭进行了改进。火箭进行了改进。“神六神六”上的航天员没有产生特别上的航天员没有产生特别的不适感，但技术人员通过对遥测数据的分析，发现火箭从起飞的不适感，但技术人员通过对遥测数据的分析，发现火箭从起飞126126秒开始还是出秒开始还是出现了逐渐增大的纵向单频振动，频率约为现了逐渐增大的纵向单频振动，频率约为8Hz(8Hz(以下称为以下称为“8Hz8Hz”振动振动)。如果这。如果这一问题不解决，一问题不解决，“神七神七”上的航天员还有可能产生像杨利伟那样的感觉。上的航天员还有可能产生像杨利伟那样的感觉。因此，火箭系统因此，火箭系统“两总两总”系统决心在发射系统决心在发射“神七神七”的火箭上解决这一问题。的火箭上解决这一问题。n本讲稿第十四页，共十七页n经过进一步分析，研制人员发现“8Hz振动”现象是助推器动力输送系统导致的比较典型的纵向耦合振动。火箭“两总”组织研制人员对“8Hz”问题进行了深入的理论研究。为抑制这一现象，开展了稳定性分析方法研究和振动抑制设计工作，确定了使用变能量蓄压器来抑制振动的方案。为验证分析结论和所采取措施的有效性，型号队伍分别进行了变能量蓄压器研制试验、管路试验以及点火控制线路验证试验；根据确定的改进方案，完成了新蓄压器以及点火控制线路的设计、生产和总装测试。n本讲稿第十五页，共十七页n增压管路铝改钢增压管路铝改钢n长二F 第六发火箭成功发射后，型号队伍在后续遥测结果分析时发现火箭飞行至415秒附近时出现异常现象，二级尾舱热环境参数出现较大幅度跳变或趋势转折，姿控系统、箭体轴向加速度以及动力系统等部分参数也在这一时段内出现了一定的变化。n为了解决这个问题，在两年半的时间内，研制者组织国防科大、中科院等单位开展了理论研究。经过研究，发现了在415s过载和加速度的跳动现象，得到了正常飞行不会产生这种异常现象的结论。但是，为了确保万无一失，火箭“两总”系统还是决定进行改进。经过真空喷流试验，确认415秒现象是由增压管路故障造成的。为此，火箭“两总”系统组织设计了二级增压管路铝改钢的技术方案，进一步提高了火箭的可靠性。n本讲稿第十六页，共十七页n经过中国航天科技集团公司飞船和火箭研制者艰苦卓绝的攻关，神舟七号飞船载人航天飞行任务按计划有条不紊地实施着。2008年 月 日，凝聚着13万中国航天科技集团公司员工智慧和汗水以及承载着13亿全中国人民殷切期望的神舟七号飞船和长二F火箭与航天员圆满完成了太空漫步的任务。中国航天员漫步太空的画面传遍世界的每一个角落。它庄严宣告：中国的神舟、神箭珠联璧合、不辱使命，完成了载人航天工程第二步第一阶段的战略任务，同时也为未来的空间交会对接、空间实验室奠定了坚实的基础。本讲稿第十七页，共十七页