常平座轴承与十字轴间隙对整机固有频率的影响分析

Mx + Cx + Kx = F
Pan Hao, Wang Hui, Wu Yang-zhou
(Beijing Arospace Propulsion Institute, Beijing, 100076)
Abstract: Considering that there are clearances between the gimbal mount assembly and cross shaft of engine, contact must be defined to simulate these non-linear behaviors in the simulation analysis. However, these non-linear behaviors will be ignored automatically when modal analysis is performed with finite elements software ABAQUS. If the contact is replaced by coupling constraints, the calculated results are not always perfect. Transient dynamic analysis is used to compute the displacement response of engine in time domain about the structure of engine with clearances in this paper. Then we can find the natural frequencies based on the peak of frequency-response curves obtained by fourier transform. We can also find the modes of vibration corresponding to natural frequencies according to the output of key points of the rocked engine.
潘 浩，王 慧，吴洋洲
（北京航天动力研究所，北京，100076）
摘要：考虑到火箭发动机常平座轴承与十字轴之间存在间隙，在仿真分析中，必须定义接触来模拟这些非线性行为，而
有限元软件 ABAQUS 在进行模态分析时，会自动忽略非线性行为，如果用耦合约束代替接触，计算得到的结果往往不理想。
针对发动机存在的这种间隙结构，采用瞬态动力学方法，计算发动机在时域上的位移响应，通过傅里叶变换给出频域内的频
2017 年第 2 期 总第 352 期
文章编号：1004-7182(2017)02-0035-05
导弹与航天运载技术 MISSILES AND SPACE VEHICLES
DOI：10.7654/j.issn.1004-7182.20170208
No.2 2017 Sum No.352
常平座轴承与十字轴间隙对整机固有频率的影响分析
标参数。而在火箭发动机模态分析中，常平座轴承与 十字轴之间的间隙将影响常平座的连接刚度，这对整 机的扭转频率有着重要的影响，这种存在间隙的非线 性结构，为发动机的模态分析带来了困难。
目前的有限元软件在模态分析、谐响应分析以及随 机振动分析中，只能进行线性计算，任何非线性行为， 包括材料的非线性、连接方式的非线性等都将被忽略。 因此，必须简化处理，即用绑定、耦合等代替接触，这 一定程度上导致结构连接刚度偏大，出现偏差。
收稿日期：2016-01-25；修回日期：2016-11-22 作者简介：潘 浩（1990-），男，助理工程师，主要研究方向为液体火箭发动机总装设计
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导弹与航天运载技术
2017 年
在 ABAQUS 中求解瞬态响应的计算方法有两种：
一种是直接瞬态响应分析法；另一种是模态瞬态响应
分析法。直接瞬态响应分析法是通过求解整个模型的
响函数曲线，根据峰值频率从而确定固有频率，输出整机结构的关键点，得到固有频率相对应的振型。
关键词：火箭发动机；间隙结构；瞬态动力学分析；共振频率
中图分类号：V43
文献标识码：A
Impact Analysis of Clearances Between the Gimbal Mount Assembly and Cross Shaft on Natural Frequencies of the Rocket Engine
阻尼耦合方程，得出各时间对应的响应；而模态瞬态
响应分析法则是采用模态叠加法得到各时间对应的响
应。由于模态瞬态响应法需要先求解模态振型，要求
系统为线性系统，而本文要分析的结构模型为存在接
触关系的非线性系统，故本文将采用直接瞬态响应法。
在直接瞬态响应分析中，通过直Baidu Nhomakorabea数值积分方法
求解耦合方程来计算结构响应。运动方程为
在以往的发动机建模中，通常是将常平座简化为 质量点，这种处理方式并不能正确模拟发动机整机的
上的结构位移响应，经过傅里叶变换得到频域内的频 响函数曲线，从而确定结构的共振频率[1,2]。
1 瞬态动力学有限元法
瞬态动力学分析是应工程需要而产生的一种非线 性动态求解方法，用于确定承受任意随时间变化载荷 的结构动力学响应，通过傅里叶变换将时域的结构响 应转换为频域上的信号，找到峰值频率，从而确定结 构的固有频率。相比传统的线性模态分析法，此方法 可以找到非线性结构的固有频率，与模态试验条件下 的实际情况更为接近。
Key words: Clearances; Transient dynamic analysis; Resonant frequency
0引言
在防止发动机与箭体或与伺服机构发生耦合共振
一阶扭转频率。考虑到常平座上下轴承与十字轴之间 存在间隙，采用动力学方法来模拟振动中的接触过程。
的设计过程中，发动机整机扭转频率是一个重要的指 本文对间隙结构定义接触，用瞬态动力学法计算时域