Анализ вибрационных характеристик жидкостных ракетных двигателей с использованием иерархии математических моделей, оценка пульсационных нагрузок

• Автор: Жеребчиков, Сергей Николаевич
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Глава 1 Состояние вопроса по расчетному и экспериментальному исследованию вибрационных характеристик ЖРД
1.1 Особенности исследуемого класса конструкций
1.2 Динамические нагрузки, действующие на конструкцию ЖРД
1.3 Математические модели, используемые для исследования вибропрочностых характеристик ЖРД
1.4 Основные методы расчета механических колебаний конструкций
Постановка основных задач диссертационной работы
Глава 2 Основные положения теории и методов расчета колебаний механических систем
Глава 3 Основные положения по разработке иерархии математических
моделей. Математическая конечно-элементная модель ЖРД
3.1 Методика построения иерархии математических моделей и проведения анализа динамических характеристик
3.2 Основные характеристики исследуемого модельного ЖРД
3.3 Основные принципы построения математических конечно-элементных моделей ЖРД
3.4 Моделирование колебаний двухслойных оболочек и приведение их к однослойной. Сравнение «пространственных» и приближенных решений
Выводы по главе
Глава 4 Анализ свободных недемпфированных колебаний двигателя
Выводы по главе
Глава 5 Нагрузки, действующие на ЖРД
5.1 Колебания элементов конструкции ЖРД при транспортировании по железной дороге
5.2 Колебания элементов конструкции ЖРД при транспортировании автомобильным транспортом
5.3 Полетные «пассажирские» нагрузки на двигатель
5.4 Импульсные нагрузки при разделении ступеней
5.5 Вибрации при работе двигателя в полете, оценка параметров пульсации тяги
Выводы по главе
Глава 6 Анализ вынужденных колебаний модельного двигателя
6.1 Вынужденные колебания при транспортировании двигателя по железной дороге

6.2 Вынужденные колебания при транспортировании двигателя автомобильным транспортом
6.3 Полетные «пассажирские» нагрузки на двигатель
6.4 Импульсные нагрузки при разделении ступеней
6.5 Вибрации при работе двигателя в полете
6.6 Вибрации двигателя при пульсации тяги
Выводы по главе
Глава 7 Оценка долговечности элементов конструкции ЖРД на основе
модальных характеристик системы
7.1 Оценка долговечности элементов конструкции при воздействии динамических нагрузок
7.2 Оценка поврежденности элементов конструкции двигателя в ходе его перевозки и эксплуатации
Выводы по главе
Основные результаты и выводы
Список литературы

Актуальность работы. Развитие и совершенствование конструкций двигательных и энергетических установок в современных условиях требует не только повышения их энергетических характеристик, но и увеличения надежности, долговечности и ресурса, а также сокращения времени экспериментальной отработки изделия. Это достигается за счет совершенствования методов проектирования установок, в том числе применения математических средств, предназначенных для решения прикладных задач, возникающих при проектировании и отработке конструкций.
Двигательные установки, используемые в ракетно-космической технике - жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) подвергаются воздействию значительных вибрационных нагрузок на всех этапах эксплуатации, что может приводить к разрушению различных узлов и агрегатов двигателя. Вследствие этого расчетная оценка вибрационных характеристик, прочности и долговечности элементов конструкции ЖРД при проектировании двигателя является одной из наиболее важных задач.
Такие расчетные исследования проводились, в основном, при помощи дискретно-массовых математических моделей конструкции двигателей. Данные модели строятся исходя из структуры конструкции путем ее расчленения на отдельные дискретные грузы, связанные между собой упругими и демпферными элементами. Такие математические модели, имеющие одну или несколько степеней свободы, позволяют проводить исследования в низкочастотной области, характерной для твердотельных колебаний всей конструкции и агрегатов, представленных дискретными грузами. Однако существует необходимость оценивать вибрационные характеристики, прочность и долговечность отдельных элементов конструкции, наиболее часто подвергающихся разрушению при эксплуатации, таких как трубопроводы и тяги раскрепления агрегатов. Данные элементы конструкции подвергаются воздействию

Е] = 1,6-104 кгс/мм2, Е2 = 2-Ю кгс/мм ,ЕР = 1,8-104 кгс/мм . Коэффициент Пуассона // — 0. Длина балки / = 100 мм. Суммарная толщина пакета к = 4,8 мм, Ь0 = 3,9 мм, шаг ї = 5,0 мм, число ребер г= 5, толщина ребра Ь = 1,0 мм. Изгибная жесткость балки в осевом направлении с учетом ребер составляет 131966,7 кгс-мм. Момент инерции сечения балки
I = ^/12 = 9,216 мм3. Отсюда эквивалентный модуль упругости ЕЭКв
кгс/мм2. Плотность материалов слоев и ребер принимается одинаковой р
8-10-10 /і££-і£І.
Для двухслойного пакета с ребрами
Рж» = 8 • 1 оЧ 1,0 + 0,8 + ^1Ав = 4 • 10-10 ■
5)/ мм
Формула для определения собственной частоты консольной балки
= — (3.23)
2л I рЪ
где К, = 3,5156; К2 = 22,037; /0 = 61,685; ^ = 120,902.
В результате вычислений находим:
Таблица 3
/. ,Гц /2,Гц /з > Гц /4,ГЦ
463,87 2907,73 8139,19 15952,73
457,70 2785,48 7484,18 13893,9
~ 1,35 % 4,39 % 8,75 % 14,8%
В третьей строке таблицы 3.2 приведены значения собственных частот, полученных методом конечных элементов, причем для построения элементов консольной балки (пластин, ребер) использовались объемные конечные элементы. Разница между частотами указана в четвертой строке таблицы.
Следует отметить достаточно удовлетворительное совпадение результатов расчетов собственных частот приближенным способом (“размазывани-