[发明专利]一种主捆绑连接结构动力学模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种主捆绑连接结构动力学模拟方法，特别是涉及一种火箭结构动力学建模领域，大型运载火箭主捆绑连接结构动力学模拟方法。

背景技术

运载火箭横向捆绑助推器是一种大幅度提高运载能力、改善其总体性能的有效技术途径。航天运载器在选择助推器的捆绑形式时主要考虑自身的有效运载量、助推器结构形式、传力形式以及助推器与芯级的分离形式等因素。在传力特点方面，一般大型运载火箭多采用前捆绑点或前、后捆绑点同时传递轴力，而中小型运载火箭助推器的推力则主要采用后捆绑点来传递。现役长征系列运载火箭的四枚液体助推器与芯级之间设置前、后两个捆绑装置，前捆绑装置示意图见附图1。前捆绑点设置在芯一级箱间段和助推器氧箱前短壳处，由三个连杆组成，每个连杆两侧与助推器、芯级之间用球副联接，以适应助推器和芯级间相对轴向移动，主要用于传递径向载荷和切向载荷；后捆绑点设置在芯级和助推器后过渡段处，一端为球头栓，另一端为球形支承，作为主要的传力点传递轴向载荷。捆绑连接结构建模的准确性对全箭动特性的分析有很大的影响，准确模拟捆绑连接结构的传力路线和刚度特性，对捆绑火箭的动特性分析结果有着决定性的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提高了模拟精度，减小了模拟误差的主捆绑连接结构动力学模拟方法。

为解决上述技术问题，本发明一种主捆绑连接结构动力学模拟方法，依次包括以下步骤：

第一步、采集前、后捆绑连接结构参数，包括前、后捆绑连接结构位置、前捆绑连杆内外直径、前捆绑连杆接头环向分布形式、后捆绑球头栓直径；采集前捆绑连杆和后捆绑球头栓的材料属性；

第二步、采集前、后捆绑连接结构位置处芯级和助推器所包含的蒙皮桁条、横框、对接框、助推发动机机架的结构形式、几何参数和材料属性；

第三步、根据前、后捆绑连接结构位置处芯级和助推器的结构形式、几何参数和材料属性，建立前、后捆绑连接结构位置处芯级和助推器的结构有限元模型；

第四步、根据前捆绑的结构参数和材料属性，建立前捆绑连接结构有限元模型；

第五步、根据后捆绑的结构参数和材料属性，建立后捆绑连接结构有限元模型。

步骤三中，采用壳单元模拟蒙皮桁条结构，用梁单元模拟对接框和横框结构；助推发动机机架采用变截面工字梁单元模拟，确保传力路径一致。

步骤四中，前捆绑连杆采用杆单元模拟，杆单元两端节点与捆绑连杆接头的位置一致。

步骤五中，后捆绑球头栓采用梁单元模拟，并且释放接头处的转动自由度模拟球头连接，与助推器机架之间的连接采用多点约束方法模拟刚性连接。

传统的捆绑连接结构有限元模型较为粗糙，一般直接采用刚性连接多点约束结构模拟采集前、后捆绑连接结构位置处的芯级和助推器结构，刚度偏大，无法准确反映结构局部变形特点，对传递路径的描述不够真实。本发明针对前捆绑连杆的受力情况，将其简化为只承担轴向力的二力杆，既简化了模型又准确模拟了其传力特性。针对后捆绑球头栓结构，释放了其转动自由度，将球头栓与助推器的连接位置放在了助推器发动机机架上，与真实边界保持一致。模型准确模拟了捆绑连接结构的几何形式和传力关系，并成功应用于捆绑火箭动力学特性分析模型之中。能够正确反映捆绑火箭纵向、横向、扭转耦合模态，减小了分析结果与试验结果之间的误差，提高了全箭有限元模型的精细度和分析结果的准确度。动特性分析结果能够反映出捆绑结构位置处的局部变形特点，全箭横向一阶频率偏差在5%之内，横向二、三阶频率和纵向一阶频率偏差在10%之内。

附图说明

图1为前捆绑装置示意图。

图2为模拟后前捆绑装置模型示意图。

图3为模拟后后捆绑装置模型示意图。

图中：1为前捆绑连杆，2为前捆绑连杆接头，3为助推器，4为芯级。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

第一步、采集前、后捆绑连接结构参数，包括前、后捆绑连接结构位置、前捆绑连杆内外直径、前捆绑连杆接头环向分布形式、后捆绑球头栓直径；采集前捆绑连杆和后捆绑球头栓的材料属性；

第二步、采集前、后捆绑连接结构位置处芯级和助推器所包含的蒙皮桁条、横框、对接框、助推发动机机架的结构形式、几何参数和材料属性；