[发明专利]一种三铰链管路补偿器角位移确定方法

说明书

一种三铰链管路补偿器角位移确定方法，包括如下步骤：获取管路中3个铰链中心坐标、轴向单位矢量以及管路边界坐标，建立各管段的空间矢量；以1#和3#铰链中心为原点建立Ⅰ、Ⅲ坐标系，并根据1#和3#铰链轴向单位矢量计算Ⅰ、Ⅲ坐标系的坐标轴单位矢量，分别构建旋转矩阵；通过旋转矩阵，计算铰链补偿器接头在Ⅰ、Ⅲ坐标系中的单位方向矢量；根据边界线位移矢量和边界旋转矩阵位移，计算变形管路的旋转矩阵、1#、3#铰链中心坐标及变形矩阵、各铰链补偿器接头的单位方向矢量以及B、C段管路的等效矢量；利用2#铰链处的连续性条件和变形能最小条件，构建关于四个角度参量的方程组；求解四个角度参量，并计算三个铰链补偿器的角位移。

技术领域

本发明涉及一种三铰链管路补偿器角位移确定方法，属于增压输送技术领域。

背景技术

液体运载火箭中的管路系统作为增压、输送工质的运送通道，除满足输送功能外，还需要补偿箱体壳段以及发动机系统的加工误差以及工作变形。新一代运载火箭采用液氢、液氧或者液氧、煤油作为工质，箱体直径更大、工质温度更低，火箭飞行时箱体收缩量也明显增加，对管路系统的补偿能力提出了更高的要求。为满足大跨度、大补偿量的管路设计要求，在管路系统设计时广泛采用三铰链补偿方案。

所谓三铰链补偿方案，即在管路系统中使用三个平面铰链补偿器或万向铰链补偿器。管路工作时三个铰链补偿器均能够产生弯曲变形，确保管路具有充足的柔度适应两端结构之间的相对运动。受到铰链补偿器变形能力的限制，在三铰链管路方案设计和补偿器可靠性评估时，通常需要准确获得特定工况下三铰链管路中各铰链补偿器的角位移，确保各铰链补偿器能够满足使用要求。

对于简单的平面三铰链管路，补偿器角位移可通过解析方法获得，例如美国膨胀节制造协会标准(EJMA)中提供了一种计算平面三铰链管系冷态角位移的平面几何方法。对于三维空间走向的三铰链管路，工程中常用的方法是先在平面、立面中对个铰链补偿器的角位移进行分析，再通过合成确定其最终结果。

尽管目前三铰链管路补偿方案已应用与许多工程领域，但是现有的三铰链管路角位移分析方法用于液体火箭三铰链管路系统设计时仍存在局限性，主要表现如下：(1)为了避免结构干涉，用于液体运载火箭的三铰链管路可能具有复杂的三维空间走向。在计算上述管路的补偿器角位移时，管路平面等效和简化通常难以进行，而且必然引入显著的建模误差。(2)现有的补偿器角位移分析方法要求三个铰链补偿器中至少存在一个平面铰链，否则整个管系结构是不稳定的。然而箭上三铰链管路通常使用三个万向铰链，此时现有角位移分析方法不再适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种三铰链管路补偿器角位移确定方法，包括如下步骤：获取管路中3个铰链中心坐标、轴向单位矢量以及管路边界坐标，建立各管段的空间矢量；以1#和3#铰链中心为原点建立Ⅰ、Ⅲ坐标系，并根据1#和3#铰链轴向单位矢量计算Ⅰ、Ⅲ坐标系的坐标轴单位矢量，分别构建旋转矩阵；通过旋转矩阵，计算铰链补偿器接头在Ⅰ、Ⅲ坐标系中的单位方向矢量；根据边界线位移矢量和边界旋转矩阵位移，计算变形管路的旋转矩阵、1#、3#铰链中心坐标及变形矩阵、各铰链补偿器接头的单位方向矢量以及B、C段管路的等效矢量；利用2#铰链处的连续性条件和变形能最小条件，构建关于四个角度参量的方程组；求解四个角度参量，并计算三个铰链补偿器的角位移。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种三铰链管路补偿器角位移确定方法，包括如下步骤：

S1、获取三铰链管路的模型参数，包括三铰链管路的铰链中心坐标、管路边界坐标、全局坐标系中的铰链轴向单位矢量；

S2、利用三铰链管路的铰链中心坐标计算管段空间矢量；利用全局坐标系中的铰链轴向单位矢量计算旋转矩阵，然后计算铰链补偿器接头单位方向矢量；

S3、设定管路边界位移参数，利用管路边界坐标、管路边界位移参数、管段空间矢量，计算三铰链管路变形后两端的两个铰链的中心坐标；