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液体火箭主发动机结构动力学关键问题研究综述

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推进技术 2024年第2期45卷 1-16页

作者：杜大华李斌西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室陕西西安710100 航天推进技术研究院陕西西安710100

液体火箭主发动机作为运载火箭的主动力,由于其结构的复杂性、服役环境的极端严苛性,导致发动机的结构动力学问题异常突出。动力学问题已成为发动机研制过程中的瓶颈技术之一,因此为改善运载火箭、发动机的振动力学环境,提高发动机的动... 详细信息

液体火箭主发动机作为运载火箭的主动力,由于其结构的复杂性、服役环境的极端严苛性,导致发动机的结构动力学问题异常突出。动力学问题已成为发动机研制过程中的瓶颈技术之一,因此为改善运载火箭、发动机的振动力学环境,提高发动机的动强度可靠性与工作安全性,需要对运载火箭“心脏”——发动机的结构动力学问题予以充分的重视。本文在详细介绍发动机结构特点、工作环境载荷特征及对结构故障统计的基础上,深入分析了涡轮泵系统、推力室、自动器、管路、发动机整机的主要故障模式,梳理出各部组件、整机结构的动力学关键问题,并指出后续研究的方向。

关键词：运载火箭液体火箭发动机动力学振动综述

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重复使用火箭发动机涡轮泵载荷谱编制方法

火箭推进 2024年第1期50卷 97-104页

作者：孙羽键李广徐自力杜大华闫松王珺西安交通大学航天航空学院复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室陕西西安710049 西安航天动力研究所航天液体动力全国重点实验室陕西西安710100

重复使用火箭一子级发动机通过多次点火将火箭送入预定轨道后,返回并定点回收,多次启动-关机会产生损伤累积及疲劳问题,掌握液体发动机涡轮泵真实载荷谱,是可重复使用火箭发动机研制中一项重要工作。针对重复使用火箭一子级发动机涡轮... 详细信息

重复使用火箭一子级发动机通过多次点火将火箭送入预定轨道后,返回并定点回收,多次启动-关机会产生损伤累积及疲劳问题,掌握液体发动机涡轮泵真实载荷谱,是可重复使用火箭发动机研制中一项重要工作。针对重复使用火箭一子级发动机涡轮泵提出了载荷谱编制方法。根据回收任务方案,确定任务全周期飞行剖面,建立火箭动力学方程,计算一子级各飞行剖面发动机推力调节范围及质量流量。基于推进剂组分、质量流量等参数推算涡轮泵转速及功率变化,编制转速谱和功率谱。通过对SpaceX公司猎鹰9一子级陆地回收任务CRS-11分析,编制该任务全周期载荷谱,得到一子级发动机推力谱、涡轮泵转速谱和功率谱,通过真实推力数据验证载荷谱编制方法。研究结果可为重复使用发动机研制提供支撑。

关键词：重复使用涡轮泵多次点火载荷谱

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液体火箭发动机结构动力学设计关键技术综述

航空学报 2023年第10期44卷 32-48页

作者：杜大华李斌液体火箭发动机技术重点实验室西安710100 航天推进技术研究院西安710100

随着液体火箭发动机技术的发展,结构动力学问题成为影响发动机寿命及可靠性的关键技术之一。经过多年努力,发动机结构从最初的静强度、安全寿命设计思想逐步发展为以动静强度联合、经济寿命设计为指导的研制理念和方法,并在型号中得到... 详细信息

随着液体火箭发动机技术的发展,结构动力学问题成为影响发动机寿命及可靠性的关键技术之一。经过多年努力,发动机结构从最初的静强度、安全寿命设计思想逐步发展为以动静强度联合、经济寿命设计为指导的研制理念和方法,并在型号中得到了成功应用,使发动机结构的工作可靠性得以大幅度提高。由于新型号火箭发动机结构的日益大型复杂化及工作环境的极端严酷性,为满足高性能、高可靠性、轻量化与可重复使用的研制需求,发动机结构动力学设计技术问题亟待解决。本文在分析发动机结构中典型动力学问题的基础上,梳理并重点介绍了载荷预计、动力学建模及模型修正、动强度评估与寿命评定、结构动力学优化及抗疲劳设计等关键技术,最后给出研究总结及展望。希望本文为液体火箭发动机结构动力学设计技术的发展提供支撑。

关键词：动力学动强度疲劳寿命液体火箭发动机

液体火箭发动机结构动力学设计关键技术研究综述

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航空学报 2022年

作者：杜大华李斌液体火箭发动机技术重点实验室航天推进技术研究院

随着液体火箭发动机技术的发展，结构动力学问题成为影响发动机寿命及可靠性的关键技术之一。经过多年努力，发动机结构从最初的静强度、安全寿命设计思想逐步发展为以动静强度联合、经济寿命设计为指导的研制理念和方法，并在型号中得...

随着液体火箭发动机技术的发展，结构动力学问题成为影响发动机寿命及可靠性的关键技术之一。经过多年努力，发动机结构从最初的静强度、安全寿命设计思想逐步发展为以动静强度联合、经济寿命设计为指导的研制理念和方法，并在型号中得到了成功应用，使发动机结构的工作可靠性得以大幅度提高。由于新型号火箭发动机结构的日益大型复杂化及工作环境的极端严酷性，为满足高性能、高可靠性、轻量化与可重复使用的研制需求，发动机结构动力学设计技术问题亟待解决。本文在分析发动机结构中典型动力学问题的基础上，梳理并重点介绍了载荷预计、动力学建模及模型修正、动强度评估与寿命评定、基于动力学优化的抗疲劳设计等关键技术，最后给出研究总结及展望。希望本文为液体火箭发动机结构动力学设计技术的发展提供支撑。

关键词：

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再生冷却推力室热机疲劳寿命预测研究

西北工业大学学报 2022年第4期40卷 723-731页

作者：黄峻峰贺尔铭易金翔杜大华王红建西北工业大学航空学院陕西西安710072 液体火箭发动机技术重点实验室陕西西安710100

针对液体火箭发动机再生冷却推力室内壁结构多发的“狗窝”失效问题,仿真再现循环载荷下塑性应变累积的棘轮效应,并定量分析其对推力室内壁结构寿命的影响。对推力室内壁进行三维传热分析,在传热分析结果的基础上对该结构在循环载荷下... 详细信息

针对液体火箭发动机再生冷却推力室内壁结构多发的“狗窝”失效问题,仿真再现循环载荷下塑性应变累积的棘轮效应,并定量分析其对推力室内壁结构寿命的影响。对推力室内壁进行三维传热分析,在传热分析结果的基础上对该结构在循环载荷下的应力应变演化进行非线性平面应变有限元分析。根据有限元分析结果,对内壁结构的棘轮效应展开描述并计算棘轮损伤,分别使用Morrow修正模型、Norton蠕变模型计算其低周疲劳损伤及蠕变损伤。基于Miner线性累积损伤理论,提出了综合考虑棘轮损伤、低周疲劳损伤及蠕变损伤的推力室内壁结构寿命预估方法。结果表明:喉部附近内壁下表面中点处会最先失效破坏,推力室内壁结构使用寿命为33次;在导致该点的总损伤中,棘轮损伤、蠕变损伤和低周损伤分别占比52%、32%和16%,说明了棘轮效应是导致推力室结构失效的主要原因。所提研究方法对液体火箭发动机再生冷却推力室结构的寿命定量分析、优化设计及未来可重复使用火箭发动机设计提供重要的工程参考。

关键词：再生冷却推力室棘轮效应寿命预测低周疲劳热机械疲劳

材料与载荷随机性影响下管路结构振动疲劳可靠性分析方法

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西安交通大学学报 2023年第11期57卷 1-11页

作者：高玉闪杨茂李斌杜大华王珺李斌潮周建西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室 710100西安航天推进技术研究院西安710100 西安交通大学航天航空学院西安710049

为应对振动环境下管路结构高可靠性寿命评估问题,建立材料、载荷等底层因素随机性模型,并考虑随机性传递、综合作用,获得管路结构振动疲劳寿命可靠性分析模型。以典型材料试验结果及单自由度时域系统,证明了随机性模型的适用性及寿命模... 详细信息

为应对振动环境下管路结构高可靠性寿命评估问题,建立材料、载荷等底层因素随机性模型,并考虑随机性传递、综合作用,获得管路结构振动疲劳寿命可靠性分析模型。以典型材料试验结果及单自由度时域系统,证明了随机性模型的适用性及寿命模型的高效性。以液体火箭发动机典型管路结构为分析对象,评估其高可靠性寿命。分析结果表明:在试车振动载荷作用下,管路结构振动疲劳寿命符合对数正态分布,且寿命存在较大的分散性;所考虑的随机因素中,材料疲劳性能对寿命分散性的影响较大;对管路结构,在确定性寿命的基础上,应考虑至少不小于5倍的寿命缩减系数,以覆盖载荷及材料的随机性影响而获得其高可靠度振动疲劳寿命。该研究为液体火箭发动机可重复使用技术发展提供重要技术支撑。

关键词：振动疲劳寿命随机性可靠性液体火箭发动机管路

基于多重动态子结构法的大型复杂结构动力分析技术

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推进技术 2018年第8期39卷 1849-1855页

作者：杜大华贺尔铭李锋西北工业大学航空学院陕西西安710072 西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室陕西西安710100

针对传统动力学分析方法无法有效地解决大型复杂工程结构动力问题的局限性,引入了一套适用于复杂大系统结构建模分析的新技术—多重动态子结构法。详细论述了多重多级动态子结构基础理论,介绍了采用多重动态子结构技术进行动力建模分析... 详细信息

针对传统动力学分析方法无法有效地解决大型复杂工程结构动力问题的局限性,引入了一套适用于复杂大系统结构建模分析的新技术—多重动态子结构法。详细论述了多重多级动态子结构基础理论,介绍了采用多重动态子结构技术进行动力建模分析的工程实现方法,并开展了该方法在某大型四机并联液体火箭发动机中的应用研究。研究结果表明:仿真分析的前六阶模态与试验值吻合较好,模态频率的相对误差小于5%,模态置信因子MAC≥0.9,该动力分析方法可准确预示发动机结构的动力学特性;相比整体有限元分析方法及传统(单级)子结构法,其建模、求解效率得到大幅度提高;验证了多重动态子结构法是研究大型复杂结构动力问题的一种有效方法。

关键词：多重动态子结构结构动力学建模分析液体火箭发动机

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改进模拟退火算法的喷管动力学模型修正

宇航学报 2018年第6期39卷 632-638页

作者：杜大华贺尔铭李磊西北工业大学航空学院西安710072 液体火箭发动机技术国防科技重点实验室西安710100 西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072

为获得液体火箭发动机喷管高精度的结构动力学有限元模型,提出一种基于改进模拟退火算法(Improved Simulation Annealing Algorithm,ISAA)的有限元模型修正方法。首先,将复杂的薄壁夹层板喷管等效为复合材料层合壳,建立喷管的参数化有... 详细信息

为获得液体火箭发动机喷管高精度的结构动力学有限元模型,提出一种基于改进模拟退火算法(Improved Simulation Annealing Algorithm,ISAA)的有限元模型修正方法。首先,将复杂的薄壁夹层板喷管等效为复合材料层合壳,建立喷管的参数化有限元模型;在此基础上,以结构模态参数为参考基,构造出联合使用模态频率及模态振型的目标函数,并运用灵敏度分析提取设计变量,从而建立其优化模型;提出带记忆、局部搜索功能的改进模拟退火算法,运用ISAA在设计空间进行多目标全局寻优;最后,采用基于MSC Patran/Nastran软件平台二次开发的结构动力学模型修正软件ZDXZ V1.0进行模型修正,并对模型修正方法的有效性进行了校验。结果表明,修正后喷管的前3阶计算模态频率与试验值相对误差小于2%,振型相关性最小MAC值大于0.9,大大提升了喷管模型的动力学符合性,模型精度满足工程应用要求;表明所述模型修正策略的有效性,该方法具有高效、强鲁棒性等特点,适合于大型复杂结构的模型修正。

关键词：模型修正灵敏度分析改进模拟退火算法液体火箭发动机喷管

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大推力液体火箭发动机启动冲击响应特性研究

西北工业大学学报 2016年第6期34卷 982-989页

作者：杜大华贺尔铭薛杰孙百红西北工业大学航空学院陕西西安710072 西安航天动力研究所陕西西安710100

大推力液体火箭发动机结构对启动冲击环境的适应性对于发动机自身及火箭的可靠性与安全性均有重大影响。提出了精细化、系统性的发动机三维动力学建模技术,建立了组/部件及整机模型,采用元素型模型修正方法和模态测试数据对数学模型进... 详细信息

大推力液体火箭发动机结构对启动冲击环境的适应性对于发动机自身及火箭的可靠性与安全性均有重大影响。提出了精细化、系统性的发动机三维动力学建模技术,建立了组/部件及整机模型,采用元素型模型修正方法和模态测试数据对数学模型进行修正,获得准确的发动机结构动力学模型;基于冲击动力学理论,提出了研究发动机启动冲击力学环境效应的非线性瞬态动力学分析方法,仿真研究了结构对瞬态、强载荷冲击激励的动力响应规律。研究结果表明,预示前四阶模态与试验结果的一致性较好,模型的准确性满足冲击动力学分析要求;振动监测点的响应预测数据与试验测量值基本吻合,验证了启动冲击作用下结构瞬变过程分析方法的有效性;发动机的动态位移满足结构总体干涉和运动包络要求,掌握了发动机结构的薄弱环节在发动机氧化剂入口管的固定支板处,通过抗冲击结构改进设计成功地解决了该问题,提高了发动机结构的抗冲击能力和可靠性;文中的建模技术及冲击动力学分析方法为发动机结构精准动力学预示及试验提供了技术途径。

关键词：液体火箭发动机动力学建模启动冲击瞬态响应分析