結構動力學應用

當地時間10月28日美國軌道科學公司向國際空間站發(fā)射“天鵝座”無人貨運飛船,運載火箭起飛6秒后爆炸。結構動力學分析工程應用簡單介紹

隨著形形色色飛行器的出現，動力固有特性分析也出現許多特殊的問題。例如，火箭、導彈雖然基本上近似一個一維梁系統(tǒng)，但它們往往存在著級間連接與數目較多的分離面(接頭),這使得結構的剛度分布、阻尼分布發(fā)生變化，給固有特性的精確分析帶來困難；大型液體燃料火箭廣泛存在著液體晃動問題，它對固有特性有不可忽視的影響；人造衛(wèi)星經常采用自旋穩(wěn)定方案，并安裝有柔度很大的附件，如太陽能帆板、天線等，構成具有轉動的剛體及柔性體的復合結構，使它的固有特性分析更加復雜化。一、飛行器分離面（接頭）對固有特性的影響

大部分火箭、導彈類型的飛行器都具有較多的接頭，它們使全彈的剛度分布發(fā)生局部擾動，如圖所示。一、飛行器分離面（接頭）對固有特性的影響接頭使剛度損失可達(30~40)%,如表一、飛行器分離面（接頭）對固有特性的影響對彈體固有特性的影響1.使全彈的固有頻率下降

由于接頭削弱了附近彈體的剛度，同時接頭處往往存在空隙，因而它們都使全彈的固有頻率降低。影響程度與接頭的數量、類型、位置相關。下表中列舉了一些導彈的一階頻率由于接頭而引起的下降情況。一、飛行器分離面（接頭）對固有特性的影響對彈體固有特性的影響2.使全彈的振動發(fā)生畸形接頭的存在，改變了剛度分布，必然使振型形狀、節(jié)點位置發(fā)生變化。在控制系統(tǒng)的設計中節(jié)點位置是個重要參數，所以，為了精確確定振型，必須考慮接頭的響應。圖8-2所示為某彈前三階振型受接頭影響的變換情況。圖中x為彈體軸向坐標，坐標原點設在彈體頭部理論頂點，為振型幅值。應當注意，同樣的接頭，所處的位置不同影響也不同。一般來講，在導彈彈體中部的接頭影響更加突出。問題的特點二、貯箱內液體晃動對固有特性的影響晃動頻率及晃動激烈程度均與下列因素有關：容器形狀；推進器性質；阻尼隔板設置情況；推進劑液面高度；加速度場的情況。在飛行過程中，隨著燃料不斷燃燒，推進劑液面情況不斷發(fā)生變化，從而對系統(tǒng)固有特性的影響也隨之變化。這是本問題的主要特點。一般說來，為了掌握整個飛行過程的固有特性情況，就要分析各個不同的推進劑燃燒階段的頻率與振型。另外一個特點是，一般只需考慮低階情況，特別是一階情況。因為經研究指出，對于圓柱殼體，二階晃動質量僅為一階晃動質量的3％，而且在高階情況下液體內部將產生紊亂的擾動，使阻尼激增，故二階以上可不予考慮。推進劑晃動頻率的確定二、貯箱內液體晃動對固有特性的影響工程上常采用當量變換的方法，在對殼體壁作用的力與力矩相等、頻率相當的條件下，將液體晃動模型等價代換為機械力學模型。一旦建立了當量機械模型，對于各種飛行器的液體晃動問題，可根據它們的液體參量、飛行狀態(tài)參量、飛行器參量很容易地確定出當量機械模型參量，從而確定出晃動頻率。一般采用的液體側向晃動當量機械模型有兩種。1.彈簧質量模型根據殼體半徑及液面高度，可按流體動力學分析導得的當量公式確定貯箱中液體固定質量m0、晃動質量m1?；蝿淤|量的運動受到彈簧與阻尼器的約束，其模型如圖8-10所示。模型中阻尼系數C、彈簧剛度K1都按流體動力學導得的當量公式確定。當阻尼較小時，阻尼的作用可以忽略。推進劑晃動頻率的確定二、貯箱內液體晃動對固有特性的影響2.自由擺模型從晃動的物理現象來看，將它等價為一個當量擺是無可非議的。此模型如圖8-11所示。其中等參量也是由流體動力學分析得到的當量公式來確定。進行這種模型代換后，液體晃動問題的處理就與結構系統(tǒng)的其它部件的處理方式完全相同?？紤]到將它們并入全系統(tǒng)模型的方便性，在飛行器動態(tài)分析中更習慣與采用彈簧質量模型。由兩種模型均取一個運動質量點m1可知，模型中值考慮晃動的一階模態(tài)。并入全系統(tǒng)動態(tài)分析的兩種方式二、貯箱內液體晃動對固有特性的影響液體晃動的動態(tài)特征引入全系統(tǒng)的方式有以下兩種。(1)將它從基本模型中分離出來，單獨擬定模型，導出其剛度、阻尼、慣性的等特性參量，然后以獨立的廣義坐標耦合到總系統(tǒng)中去構成總運動方程，聯(lián)立求解。這樣求解的優(yōu)點是，可以形象地看到晃動的液體在整個系統(tǒng)動態(tài)特性中的地位與作用。(2)將晃動液體的質量特性、剛度特性直接并入全系統(tǒng)模型對應位置上，如圖8-12所示。對于流體晃動的影響，則在總系統(tǒng)中增加一個分支系統(tǒng)反映。這種考慮方式簡單，但較為粗糙。有飛行器在動態(tài)分析時，初始階段采用此法處理，在最后分析階段則改用第一種方式處理?！巴列荲”發(fā)射器就經歷了這一過程。并入全系統(tǒng)動態(tài)分析的兩種方式二、貯箱內液體晃動對固有特性的影響關于晃動液體對全系統(tǒng)動態(tài)固有特性的影響，其處理方法雖然基本上可以滿足工程需求，但是，由于液體的晃動而使結構固有特性頻帶變寬，增加了發(fā)生耦合振動的可能性；另外，它提供了一個激勵源，是導致系統(tǒng)動態(tài)失穩(wěn)的渠道之一；同時，由于燃料量在整個飛行器中不斷變化，從而使全系統(tǒng)固有頻率與振型都成為時間的變化量；這些都給動力設計帶來了附加困難。為此，工程上往往采用結構措施（如設計阻尼擋板，采用集束式貯箱）或系統(tǒng)化措施（燃料按程序轉移，燃燒次序化等），盡量降低液體晃動所產生的動力影響。三、舉例說明：8HZ振動現象從楊利偉的不適改起

2003年10月，航天員楊利偉搭乘“神舟五號”升空時，曾在一個短暫的時間內感到非常不適。長二F火箭研制人員在了解到這一情況后，立即分析數據查找原因。數據分析顯示，火箭在上升期間曾出現過短暫的共振現象。為此研制人員對發(fā)射“神舟六號”飛船的長二F火箭進行了改進?！吧窳鄙系暮教靻T沒有產生特別的不適感，但技術人員通過對遙測數據的分析，發(fā)現火箭從起飛126秒開始還是出現了逐漸增大的縱向單頻振動，頻率約為8Hz(以下稱為“8Hz”振動)。如果這一問題不解決，“神七”上的航天員還有可能產生像楊利偉那樣的感覺。因此，火箭系統(tǒng)“兩總”系統(tǒng)決心在發(fā)射“神七”的火箭上解決這一問題。

經過進一步分析，研制人員發(fā)現“8Hz振動”現象是助推器動力輸送系統(tǒng)導致的比較典型的縱向耦合振動?；鸺皟煽偂苯M織研制人員對“8Hz”問題進行了深入的理論研