基于模态综合法的运载火箭动力学分析

【摘要】：运载火箭是实现太空探索的基础工具,也是国家综合实力的重要标志。运载火箭在运行过程中,一方面受到推力偏心和外界气流产生的复杂荷载作用,另一方面受到发动机强烈喷流和气动产生的恶劣振动噪声影响。这些不利因素不但会引起火箭箭体的疲劳破坏,也会导致内部设备的失效,从而大大降低整个系统的安全性和可靠性。因此,对运载火箭进行动力学分析至关重要。然而运载火箭结构庞大复杂,其有限元模型动辄具有几百万个自由度,且需反复修改结构参数进行重分析,传统的动力学数值分析方法针对这类完整模型计算效率低下,分析成本极高。因此,开展基于模型降阶技术的运载火箭动力学特性研究具有重要的理论意义和应用价值。本文主要基于模态综合法对运载火箭有限元模型进行子结构动力学分析。首先,系统介绍了模态综合法的理论推导,并将固定界面模态综合法扩展到包含弹簧铰的特殊结构。然后,基于MSC.Patran/Nastran实现运载火箭的参数化建模,通过子结构方法对运载火箭有限元模型进行模态分析、瞬态响应分析及谐响应分析,并在此基础上对运载火箭随机振动问题进行系统研究。最后,基于PyQt进行二次开发,实现固定界面模态综合法和自由界面模态综合法的流程化设计。具体工作内容为:1)阐述了子结构方法的基本流程,并且详细地对固定界面法和自由界面法进行了公式推导和对比,对子结构方法中出现的主模态、约束模态、附着模态和剩余附着模态进行了介绍;最后将固定界面法推广到包含弹簧铰的特殊结构,并通过一个简单薄板的算例验证了本文所提方法的正确性。2)使用PCL语言对运载火箭进行参数化建模并对运载火箭模型进行动力子结构分析。首先介绍了PCL语言的应用范围和优势;然后以某型号运载火箭为蓝本,建立了较为精细的三维运载火箭有限元模型;接下来将该模型的结构尺寸和材料属性共17个参数作为参数化建模变量,通过PCL语言编译了参数化建模文件,有效降低了建模时间和重分析成本;最后基于MSC.Nastran对运载火箭有限元模型进行了子结构动力响应分析,并将计算结果和计算效率与整体模型动力学分析的结果和效率进行对比,体现出子结构方法的正确性和高效性。3)基于本文的子结构降阶模型,将虚拟激励法与有限元软件结合起来,对运载火箭模型进行随机振动分析。首先,介绍了平稳随机振动的常规算法CQC法,并阐述了虚拟激励法的基本原理,理论上验证了这两种方法的一致性;其次,将虚拟激励法与MSC.Nastran进行结合,运用软件中的谐响应分析模块,实现了虚拟激励法随机振动分析,并通过运载火箭算例验证了这种方法的正确性和高效性;最后,将子结构降阶模型应用其中,以运载火箭为研究对象,进一步降低了随机振动分析的计算时间和重分析成本。4)基于模态综合法的MSC.Patran/Nastran二次开发。借助PyQt对运载火箭子结构动力分析过程设计出一款简洁明了的可视化操作平台,该平台可调用MSC.Patran/Nastran,应用固定界面法或自由界面法对运载火箭进行多种动力学分析,不仅避免了商业软件中子结构方法操作的冗余繁杂,而且更便于用户熟悉子结构分析的流程。