一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其特點(diǎn)在于：將反向雙螺旋金屬帶編織型鎧裝網(wǎng)套處理為梁結(jié)構(gòu)，建立其有限元分析模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；采用三維周期性模型分析鎧裝網(wǎng)套的周向膜應(yīng)力和徑向位移，并基于鎧裝網(wǎng)套的圓柱殼假定，建立了基于有限元徑向位移解定量評(píng)估鎧裝網(wǎng)套對(duì)整體剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性的解析方法。本發(fā)明有效地提高了反向雙螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析效率，解決了整體仿真中單元種類(lèi)多、接觸非線性復(fù)雜等導(dǎo)致收斂困難，以及地面實(shí)驗(yàn)可測(cè)量性差等問(wèn)題，便于工程應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套増強(qiáng)能力的分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，屬于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別適用于高壓條件下柔性連接管件的鎧裝加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和校核?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]與鎧裝網(wǎng)套類(lèi)似的金屬帶編織纏繞軟管廣泛應(yīng)用于航空航天、熱能以及化工等工業(yè)領(lǐng)域。對(duì)于一般的工程應(yīng)用環(huán)境，大都將鎧裝網(wǎng)套視為保護(hù)和隔離外界雜質(zhì)影響的裝置， 而其對(duì)內(nèi)部組件的增強(qiáng)作用不作為主要性能進(jìn)行研究。因此，對(duì)于鎧裝網(wǎng)套的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用研究成果較少。公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中南京航空航天大學(xué)的屈彩虹曾經(jīng)采用有限元方法分析了金屬網(wǎng)套的靜特性，青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院的韓淑潔用有限元方法研究了不同編織角度金屬網(wǎng)套靜力學(xué)特性。上述針對(duì)金屬網(wǎng)套的分析都采用了有限元方法，僅考慮了鎧裝網(wǎng)套靜力學(xué)特性，并沒(méi)有研究鎧裝網(wǎng)套與被保護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸作用，以及鎧裝網(wǎng)套對(duì)整體剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響。然而在高壓環(huán)境中應(yīng)用的燃?xì)廛浌?，鎧裝網(wǎng)套的增強(qiáng)作用不可忽視，需要清晰的認(rèn)識(shí)鎧裝網(wǎng)套對(duì)整體剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響模式，從而有效的設(shè)計(jì)和應(yīng)用柔性金屬軟管，提高液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可靠性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有分析方法僅關(guān)注鎧裝網(wǎng)套金屬網(wǎng)套的靜力學(xué)特性，并沒(méi)有研究鎧裝網(wǎng)套與被保護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸作用，以及鎧裝網(wǎng)套對(duì)整體剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0005]本發(fā)明所提供的一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其特殊之處在于，包括下列步驟:
[0006]1)選用矩形截面梁?jiǎn)卧⒎聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套的有限元模型，并通過(guò)鎧裝網(wǎng)套的軸向拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；
[0007]2)根據(jù)燃?xì)廛浌苷w結(jié)構(gòu)、載荷以及響應(yīng)的三維周期性的特點(diǎn)，建立燃?xì)廛浌苷w三維周期性有限元模型，并進(jìn)行內(nèi)壓響應(yīng)分析，得到鎧裝網(wǎng)套的徑向位移和膜應(yīng)力的有限元值；
[0008]3)基于鎧裝網(wǎng)套的圓柱殼假定，將鎧裝網(wǎng)套徑向位移等效為鎧裝網(wǎng)套直接承受的內(nèi)壓作用所致，得到鎧裝網(wǎng)套的膜應(yīng)力的理論值和鎧裝網(wǎng)套所承受的等效壓力與徑向位移的解析函數(shù)關(guān)系；
[0009]4)通過(guò)膜應(yīng)力的理論值與有限元值的比較驗(yàn)證鎧裝網(wǎng)套的圓柱殼假定的合理性； 如果不合理，調(diào)整圓柱殼的結(jié)構(gòu)參數(shù);如果合理，進(jìn)行步驟5);
[0010]5)根據(jù)膜應(yīng)力的理論值和等效壓力與徑向位移的解析函數(shù)關(guān)系計(jì)算鎧裝網(wǎng)套的強(qiáng)度和所分擔(dān)的內(nèi)壓載荷。
[0011]上述步驟4)之后還包括步驟6):在圓柱坐標(biāo)系下，根據(jù)等效壓力及鎧裝網(wǎng)套與被保護(hù)對(duì)象之間的接觸作用關(guān)系，分析鎧裝網(wǎng)套對(duì)燃?xì)廛浌艿妮S向摩擦阻力、軸向剛度以及穩(wěn)定性的影響。[0012 ]上述步驟(1)中鎧裝網(wǎng)套由多組反向雙螺旋金屬帶編織而成。
[0013]上述步驟(1)中有限元模型的建立是基于等剛度準(zhǔn)則。
[0014]上述步驟(1)中矩形截面梁?jiǎn)卧叽鐬殚L(zhǎng)2.4mm，寬0.3mm。
[0015]上述步驟(2)中燃?xì)廛浌苷w包括多層波紋管、鎧裝環(huán)和鎧裝網(wǎng)套;建立燃?xì)廛浌苷w三維周期性有限元模型時(shí)，鎧裝網(wǎng)套與波紋管、鎧裝環(huán)之間需要定義接觸關(guān)系，通過(guò)接觸單元和節(jié)點(diǎn)自由度耦合模擬部件之間的載荷和位移傳遞關(guān)系。
[0016]上述步驟(3)中將鎧裝網(wǎng)套等效為圓柱殼，根據(jù)徑向變形與周向變形的協(xié)調(diào)關(guān)系， 分析鎧裝網(wǎng)套的周向張應(yīng)力；還包括根據(jù)周向張應(yīng)力的強(qiáng)度準(zhǔn)則，分析鎧裝網(wǎng)套可分擔(dān)的最大內(nèi)壓載荷。
[0017]上述步驟6)中的軸向摩擦阻力變化源于鎧裝環(huán)與鎧裝網(wǎng)套之間的擠壓作用引起的摩擦力，在圓柱坐標(biāo)系下，摩擦力根據(jù)摩擦面上的作用力和摩擦接觸面積可計(jì)算得到。
[0018]上述步驟(6)中的軸向剛度變化源于燃?xì)廛浌軓澢冃螘r(shí)，鎧裝環(huán)與鎧裝網(wǎng)套之間的擠壓作用引起的摩擦力矩，在圓柱坐標(biāo)系下，摩擦力矩根據(jù)接觸面上的作用力矩可計(jì)算得到。
[0019]上述步驟(6)中的穩(wěn)定性的影響分析參考?jí)簵U失穩(wěn)理論建立，通過(guò)軸向剛度的變化來(lái)評(píng)估鎧裝網(wǎng)套對(duì)整體穩(wěn)定性的影響關(guān)系。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0021] (1)綜合考慮了鎧裝網(wǎng)套與被保護(hù)結(jié)構(gòu)之間的接觸作用和變形協(xié)調(diào)關(guān)系，建立了基于有限元解評(píng)估鎧裝網(wǎng)套結(jié)構(gòu)特性和增強(qiáng)作用的理論解析模型，可定量評(píng)估鎧裝網(wǎng)套的內(nèi)壓分擔(dān)能力，對(duì)軸向剛度的影響大小以及對(duì)穩(wěn)定性的影響關(guān)系，克服了整體有限元仿真中計(jì)算量大、接觸非線性作用復(fù)雜導(dǎo)致收斂困難，以及地面試驗(yàn)可測(cè)量性差等問(wèn)題。
[0022] (2)采用解析模型評(píng)估鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)作用，工程應(yīng)用簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。
[0023] (3)本發(fā)明對(duì)鎧裝網(wǎng)套進(jìn)行參數(shù)化建模，大大的提高了計(jì)算效率，具有較好的通用性和重復(fù)性。【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明鎧裝網(wǎng)套裝配示意圖。
[0025]圖2是本發(fā)明反向雙螺旋鎧裝網(wǎng)套的結(jié)構(gòu)示意圖。[〇〇26]其中附圖標(biāo)記為:1_鎧裝環(huán)，2-鎧裝網(wǎng)套，3-波紋管，4-端部連接段，5-正向螺旋金屬帶，6-反向螺旋金屬帶?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，本發(fā)明采用的反向雙螺旋鎧裝網(wǎng)套緊密包覆在搖擺軟管的外表面;如圖2所示，本發(fā)明采用的反向雙螺旋鎧裝網(wǎng)套結(jié)構(gòu)由多組正向螺旋金屬帶5和正反向螺旋金屬帶6纏繞編織而成。
[0028]本發(fā)明的燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，包括以下步驟:
[0029] 1)基于等剛度準(zhǔn)則，選用矩形截面梁?jiǎn)卧⒎聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套的有限元模型，并通過(guò)鎧裝網(wǎng)套的軸向拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，矩形截面梁?jiǎn)卧叽鐬殚L(zhǎng)2.4mm，寬0.3mm;
[0030] 2)根據(jù)燃?xì)廛浌苷w結(jié)構(gòu)、載荷以及響應(yīng)的三維周期性的特點(diǎn)，建立燃?xì)廛浌苷w三維周期性有限元模型，并進(jìn)行內(nèi)壓響應(yīng)分析，得到鎧裝網(wǎng)套的徑向位移和膜應(yīng)力的有限元值;燃?xì)廛浌苷w包括多層波紋管、鎧裝環(huán)和鎧裝網(wǎng)套;建立燃?xì)廛浌苷w三維周期性有限元模型時(shí)，鎧裝網(wǎng)套與波紋管、鎧裝環(huán)之間需要定義接觸關(guān)系，通過(guò)接觸單元和節(jié)點(diǎn)自由度耦合模擬部件之間的載荷和位移傳遞關(guān)系。
[0031] 3)基于鎧裝網(wǎng)套的圓柱殼假定，將鎧裝網(wǎng)套徑向位移等效為鎧裝網(wǎng)套直接承受的內(nèi)壓作用所致，得到鎧裝網(wǎng)套的膜應(yīng)力的理論值和鎧裝網(wǎng)套所承受的等效壓力與徑向位移的解析函數(shù)關(guān)系;根據(jù)徑向變形與周向變形的協(xié)調(diào)關(guān)系，分析鎧裝網(wǎng)套的周向張應(yīng)力;根據(jù)周向張應(yīng)力的強(qiáng)度準(zhǔn)則，分析鎧裝網(wǎng)套可分擔(dān)的最大內(nèi)壓載荷。[〇〇32]4)通過(guò)膜應(yīng)力的理論值與有限元值的比較驗(yàn)證鎧裝網(wǎng)套的圓柱殼假定的合理性；如果不合理，調(diào)整圓柱殼的結(jié)構(gòu)參數(shù);如果合理，進(jìn)行步驟5);[〇〇33] 5)根據(jù)膜應(yīng)力的理論值和等效壓力與徑向位移的解析函數(shù)關(guān)系計(jì)算鎧裝網(wǎng)套的強(qiáng)度和所分擔(dān)的內(nèi)壓載荷。
[0034]6)在圓柱坐標(biāo)系下，根據(jù)等效壓力及鎧裝網(wǎng)套與被保護(hù)對(duì)象之間的接觸作用關(guān)系，分析鎧裝網(wǎng)套對(duì)燃?xì)廛浌艿妮S向摩擦阻力、軸向剛度以及穩(wěn)定性的影響，其中軸向摩擦阻力變化源于鎧裝環(huán)與鎧裝網(wǎng)套之間的擠壓作用引起的摩擦力，在圓柱坐標(biāo)系下，摩擦力根據(jù)摩擦面上的作用力和摩擦接觸面積可計(jì)算得到;軸向剛度變化源于燃?xì)廛浌軓澢冃螘r(shí)，鎧裝環(huán)與鎧裝網(wǎng)套之間的擠壓作用引起的摩擦力矩，在圓柱坐標(biāo)系下，摩擦力矩根據(jù)接觸面上的作用力矩可計(jì)算得到；其中穩(wěn)定性的影響分析參考?jí)簵U失穩(wěn)理論建立，通過(guò)軸向剛度的變化來(lái)評(píng)估鎧裝網(wǎng)套對(duì)整體穩(wěn)定性的影響關(guān)系。
[0035]實(shí)施例1[〇〇36] 選擇反向雙螺旋鎧裝網(wǎng)套的幾何參數(shù)為:內(nèi)徑300mm，螺距80mm、子午向高度 200mm，螺旋線周向密度15;截面參數(shù)為:長(zhǎng)度2.4mm，寬度0.3mm。搖擺軟管承受lOMPa內(nèi)壓作用時(shí)，鎧裝網(wǎng)套分擔(dān)了2.04MPa的內(nèi)壓載荷，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，鎧裝網(wǎng)套可分擔(dān)的最大內(nèi)壓載荷為4.1MPa，鎧裝網(wǎng)套將引起50kN的附加軸向摩擦阻力；增加了軸向剛度550N/ mm，相應(yīng)地提高了燃?xì)廛浌苷w抗失穩(wěn)臨界壓力5MPa。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其特征在于，包括下列步 驟:1)選用矩形截面梁?jiǎn)卧⒎聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套的有限元模型，并通過(guò)鎧裝網(wǎng)套的軸 向拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；2)根據(jù)燃?xì)廛浌苷w結(jié)構(gòu)、載荷以及響應(yīng)的三維周期性的特點(diǎn)，建立燃?xì)廛浌苷w三 維周期性有限元模型，并進(jìn)行內(nèi)壓響應(yīng)分析，得到鎧裝網(wǎng)套的徑向位移和膜應(yīng)力的有限元 值；3)基于鎧裝網(wǎng)套的圓柱殼假定，將鎧裝網(wǎng)套徑向位移等效為鎧裝網(wǎng)套直接承受的內(nèi)壓 作用所致，得到鎧裝網(wǎng)套的膜應(yīng)力的理論值和鎧裝網(wǎng)套所承受的等效壓力與徑向位移的解 析函數(shù)關(guān)系；4)通過(guò)膜應(yīng)力的理論值與有限元值的比較驗(yàn)證鎧裝網(wǎng)套的圓柱殼假定的合理性；如果 不合理，調(diào)整圓柱殼的結(jié)構(gòu)參數(shù);如果合理，進(jìn)行步驟5);5)根據(jù)膜應(yīng)力的理論值和等效壓力與徑向位移的解析函數(shù)關(guān)系計(jì)算鎧裝網(wǎng)套的強(qiáng)度 和所分擔(dān)的內(nèi)壓載荷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其特征 在于:步驟4)之后還包括步驟6):在圓柱坐標(biāo)系下，根據(jù)等效壓力及鎧裝網(wǎng)套與被保護(hù)對(duì)象 之間的接觸作用關(guān)系，分析鎧裝網(wǎng)套對(duì)燃?xì)廛浌艿妮S向摩擦阻力、軸向剛度以及穩(wěn)定性的 影響。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其 特征在于:所述步驟(1)中鎧裝網(wǎng)套由多組反向雙螺旋金屬帶編織而成。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其 特征在于:所述步驟(1)中有限元模型的建立是基于等剛度準(zhǔn)則。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其 特征在于:所述步驟(1)中矩形截面梁?jiǎn)卧叽鐬殚L(zhǎng)2.4mm，寬0.3mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其 特征在于:所述步驟(2)中燃?xì)廛浌苷w包括多層波紋管、鎧裝環(huán)和鎧裝網(wǎng)套;建立燃?xì)廛浌苷w 三維周期性有限元模型時(shí)，鎧裝網(wǎng)套與波紋管、鎧裝環(huán)之間需要定義接觸關(guān)系，通過(guò)接觸單 元和節(jié)點(diǎn)自由度耦合模擬部件之間的載荷和位移傳遞關(guān)系。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其 特征在于:所述步驟(3)中將鎧裝網(wǎng)套等效為圓柱殼，根據(jù)徑向變形與周向變形的協(xié)調(diào)關(guān)系，分析 鎧裝網(wǎng)套的周向張應(yīng)力；還包括根據(jù)周向張應(yīng)力的強(qiáng)度準(zhǔn)則，分析鎧裝網(wǎng)套可分擔(dān)的最大 內(nèi)壓載荷。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其特征在于:所述步驟6)中的軸向摩擦阻力變化源于鎧裝環(huán)與鎧裝網(wǎng)套之間的擠壓作用引起的摩 擦力，在圓柱坐標(biāo)系下，摩擦力根據(jù)摩擦面上的作用力和摩擦接觸面積可計(jì)算得到。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其 特征在于:所述步驟(6)中的軸向剛度變化源于燃?xì)廛浌軓澢冃螘r(shí)，鎧裝環(huán)與鎧裝網(wǎng)套之間的 擠壓作用引起的摩擦力矩，在圓柱坐標(biāo)系下，摩擦力矩根據(jù)接觸面上的作用力矩可計(jì)算得 到。10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種燃?xì)廛浌芊聪螂p螺旋鎧裝網(wǎng)套增強(qiáng)能力的分析方法，其 特征在于:所述步驟(6)中的穩(wěn)定性的影響分析參考?jí)簵U失穩(wěn)理論建立，通過(guò)軸向剛度的變化來(lái) 評(píng)估鎧裝網(wǎng)套對(duì)整體穩(wěn)定性的影響關(guān)系。
【文檔編號(hào)】F16L11/15GK105972343SQ201610496747
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月28日
【發(fā)明人】趙劍, 譚永華, 劉站國(guó), 陳建華, 徐浩海, 付平, 雷征
【申請(qǐng)人】西安航天動(dòng)力研究所