内容简介

本书系统性地介绍了液体火箭发动机结构动力学的基础理论、分析方法与试验技术，主要包括：发动机结构动力学建模、模型修正及优化设计技术，涡轮泵转子动力学研究方法，泵流体激振分析方法，多源振动载荷传递与识别研究方法，振动试验与虚拟振动试验技术，试车速变数据测试分析技术。结合作者多年的研发实践，本书详细地介绍了结构动力学在液体火箭发动机中的应用，包括了大量的模态试验、振动试验与动力学仿真实例，并给出了较多的故障归零案例，以方便读者阅读并提高解决工程问题的能力。 本书可为从事航空、航天、海洋、交通、机械、建筑等相关领域的工程技术人员和科研人员提供参考。

编辑推荐

本书是理论与工程实践结合得比较完美的著作

前言

液体火箭发动机是运载火箭、导弹武器、空间飞行器的核心之一,决定着一个国家航 天活动的规模及进出空间、利用空间和控制空间的能力,是一个国家科技实力的重要体 现,是国家安全的重要保障.国内外液体火箭发动机的研制历程表明:结构疲劳、断裂、碰磨、泄漏等是发动机主要的故障模式,其根源在于对结构动载荷认识不足、结构动力学设计不合理、结构动强度试验考核不充分等.另一方面,解决此类动力学问题同样面临 一系列挑战,包括发动机结构复杂,功率密度大,工作环境恶劣,涡轮泵、燃烧室及燃气发生器等主要振源位置相对集中,振源相互耦合强烈,多源振动在结构件间传递机理复杂等.目前,结构动力学问题已成为制约液体火箭发动机工作安全性、可靠性的重要因素. 载人登月等重大航天工程以及空天往返运输系统等对液体火箭发动机的推力量级、推质比、可靠性、寿命等指标要求均有大幅提高,增材制造技术以及轻质新材料的广泛采用,使得液体火箭发动机流、声、热及力的多场耦合问题更加突出,相应力学响应的高度非线性特征也更加明显.燃气发生器、推力室等燃烧组件形成的各种振荡燃烧,涡轮泵的旋转及其产生的流体激励,阀和管路系统的流致振动,起动/关机瞬变过程产生的冲击载荷,喷流噪声以及热环境等,这些使得发动机结构所工作的载荷环境更加复杂、恶劣. 本书旨在为系统分析与总结液体火箭发动机结构动力学方面的研究成果,指导发动机结构动力学问题的分析与解决.全书共分为１０章。 第１章绪论。阐述液体火箭发动机的系统组成、发动机的不同分类及特点,重点论 述热力组件、涡轮泵、自动器以及总装元件等发动机核心组件及整机的功能、结构及动力学问题. 第２章发动机结构动力学建模分析。对低频动力学、中高频动力学建模所涉及的建模方法等进行论述,探讨动态子结构法,介绍发动机结构模态试验技术。 第３章发动机结构动力学模型修正。阐述有限元模型修正方法,论述基于灵敏度分析的修正系数选取以及模型修正有效性的评价标准。 第４章发动机结构动力学分析及优化设计。阐述结构动力学分析理论及求解算法, 介绍结构动力学优化设计方法与处理大规模优化问题的代理模型技术,给出基于 HK 模型的火箭发动机结构优化、发动机管路断裂失效分析及动力优化实例。 第５章发动机涡轮泵转子系统动力学特性研究。阐述基于有限元法的转子系统动特性分析方法,给出涡轮氧泵转子系统在不同影响因素下临界转速的变化规律以及相应的瞬 态响应和不平衡响应,同时论述氢氧涡轮泵柔性转子的动力学设计方法。  第６章涡轮泵流体激振特性研究。介绍涡轮泵内的动静干涉、旋转空化两类流体激振现象,研究离心轮与扩压器之间的动静干涉机理和诱导轮旋转空化的发生机理,分析诱导轮内的空化流动特性与空化不稳定现象。 第７章发动机多源载荷识别与传递特性研究。通过多源激励下结构响应分析研究影 响结构响应的主要因素及振动主要传递路径,获取激振力与结构响应的相关特征。 第８章发动机振动试验技术研究。阐述振动试验台的分类、工作原理,介绍振动试 验夹具的设计原则以及结构形式,论述正弦振动试验、随机振动试验、冲击及冲击响应谱试验和试验控制方法。   第９章发动机虚拟振动试验技术研究.阐述电动振动台的机电模型、参数辨识以及电动振动台的建模示例,论述正弦振动控制算法、随机控制算法,以及虚拟振动试验的运行与后处理方法.  第１０章发动机热试车动态信号测试及故障分析。阐述发动机热试车动态信号测量技术,论述发动机热试车数据分析方法以及基于发动机动态数据分析的力学环境试验条件设计,同时给出某型发动机试车大振动故障诊断以及某次发动机试车结构损坏分析的应用实例。 在本书的编写过程中,王春民、李锋、杜飞平、王珺等参与了全书的策划,杜大华、 杜飞平和汪广旭参加了第１章的撰写,杜大华、杜飞平参加了第２章的撰写,杜大华参加了第３章、第４章的撰写,杜飞平、黄金平、张召磊参加了第５章的撰写,项乐、许开富参加了第６章的撰写,李斌潮参加了第７章的撰写,邓长华参加了第８章、第９章的撰写,孙百红参加了第１０章的撰写.西安交通大学徐自力、西北工业大学文立华教授参加了全书的审校工作. 在本书的策划过程中,得到了张贵田院士的悉心指导.在出版过程中,得到了中国宇航出版社的大力支持,在此一并表示感谢. 本书在撰写过程中,力求做到结构完整、概念清晰、论述清楚流畅,但受限于水平, 书中的内容难免会有错误或疏漏,恳请读者批评指正。 谭永华  ２０２１年１０月于西安

目录

第1章 绪论 1.1 概述 1.2 发动机系统及组成 1.3 发动机分类及特点 1.3.1 常用推进剂 1.3.2 推进剂供应方式 1.3.3 泵压式发动机 1.3.4 挤压式发动机 1.4 发动机核心组件及整机动力学问题 1.4.1 燃烧部件 1.4.2 涡轮泵 1.4.3 自动器 1.4.4 装结构 1.4.5 发动机整机 1.5 各章主要内容 第2章 发动机结构动力学建模分析 2.1 引言 2.2 复杂结构动力学建模 2.2.1 低频动力学建模 2.2.2 中高频动力学建模 2.2.3 动态子结构法 2.2.4 子结构试验建模综合技术 2.2.5 发动机结构三维动力学建模分析 2.3 发动机结构模态测试 2.3.1 模态试验技术 2.3.2 模态参数识别方法 2.3.3 环境激励模态参数识别法 2.3.4 发动机模态测试 第3章 发动机结构动力学模型修正 3.1 引言 3.2 基于模态参数的有限元模型修正 3.2.1 模型匹配 3.2.2 相关分析 3.2.3 目标函数构建 3.2.4 基于灵敏度分析的修正参数选取 3.2.5 模型修正有效评价标准 3.3 基于频响函数的有限元模型修正 3.4 喷管结构有限元模型修正 3.4.1 模型修正软件开发 3.4.2 喷管结构参数化建模及模态分析 3.4.3 喷管结构模态测试 3.4.4 模型修正过程 第4章 发动机结构动力学分析及优化设计 4.1 引言 4.2 结构动力学分析 4.2.1 模态分析 4.2.2 频率响应分析 4.2.3 振动分析 4.2.4 瞬态响应分析 4.2.5 求解振动响应的直接积分法 4.2.6 求解振动响应的精细积分法 4.2.7 求解振动响应的模态法 4.2.8 发动机热试车起动冲击响应分析 4.3 结构动力学优化设计 4.3.1 优化设计基础理论 4.3.2 多频优化的动力学设计 4.3.3 频响优化的动力学设计 4.3.4 大规模优化问题处理技术 4.3.5 大规模优化问题代理模型技术 4.3.6 基于HK模型的火箭发动机结构动力学优化 4.3.7 发动机管路断裂失效分析及动力学优化 第5章 发动机涡轮泵转子系统动力学特研究 5.1 引言 5.2 基于有限元法的转子系统动特分析 5.2.1 圆盘运动方程 5.2.2 弹轴运动方程 5.2.3 轴承支承运动方程 5.2.4 转子系统运动方程 5.3 涡轮氧泵转子系统动特 5.3.1 转子系统模型建立 5.3.2 涡轮氧泵转子系统的瞬态响应 5.3.3 涡轮氧泵转子系统的临界转速 5.3.4 涡轮氧泵转子系统的不平衡稳态响应 5.3.5 转子系统动特集成软件 5.4 涡轮氧泵转子动力学试验 5.4.1 转子系统试验状态 5.4.2 试验结果分析 5.4.3 临界转速识别 5.5 发动机柔转子动力学设计 5.5.1 转子临界转速与工作转速的裕度 5.5.2 转子弯曲应变能 5.5.3 转子高速动态特 5.6 涡轮盘模态影响因素及振动分析[78 5.6.1 轮盘模态特分析 5.6.2 轮盘振动评估 第6章 涡轮泵流体激振特研究 6.1 引言 6.2 高速离心泵流体激振现象分类 6.3 离心泵流体激振研究历史 6.3.1 离心泵动静干涉研究 6.3.2 诱导轮旋转空化研究 6.4 涡轮泵动静干涉流动机理研究 6.4.1 数值求解方法 6.4.2 计算模型及设置 6.4.3 方法验证 6.4.4 离心泵动静干涉流动分析 6.5 诱导轮空化不稳定研究 6.5.1 空化非定常数值方法 6.5.2 三维诱导轮旋转空化数值 6.5.3 诱导轮空化不稳定可视化试验研究 第7章 发动机多源载荷识别与传递特研究 7.1 引言 7.2 发动机多源载荷传递分析方法 7.2.1 发动机结构动力学特基本假设 7.2.2 发动机频响函数 7.2.3 载荷识别方法 7.2.4 多源载荷激励下响应贡献量计算方法 7.3 发动机多源载荷激励下结构响应分析模型 7.3.1 多源激励載荷传递分析试验原理 7.3.2 多源激励载荷传递分析试验 7.4 发动机多源载荷传递路径分析试验系统 7.5 多源载荷传递路径试验结果分析 7.5.1 振源与力载荷识别点之间的传递函数 7.5.2 振源与目标点之间的传递函数 7.6 多源载荷识别与贡献量分析 7.6.1 载荷识别 7.6.2 目标点响应贡献量分析 第8章 发动机振动试验技术研究 8.1 引言 8.2 振动试验台 8.2.1 电动振动台分类 8.2.2 电动振动台工作原理 8.3 振动试验夹具 8.3.1 夹具设计原则 8.3.2 夹具结构形式 8.4 振动试验方法 8.4.1 正弦振动试验 8.4.2 振动试验 8.4.3 冲击及冲击响应谱试验 8.4.4 试验控制方法 8.5 振动试验数据分析 8.5.1 测点布置 8.5.2 试验数据分析 8.5.3 试验分析报告 8.6 发动机振动试验 第9章 发动机虚拟振动试验技术研究 9.1 引言 9.2 振动台建模技术 9.2.1 振动台空台机电模型 9.2.2 振动台机电模型参数辨识 9.2.3 放系统模型 9.2.4 电动振动台建模 9.3 振动控制算法 9.3.1 正弦振动控制算法 9.3.2 控制算法 9.4 虚拟振动试验的运行与后处理 9.5 发动机虚拟正弦振动试验 9.6 发动机虚拟振动试验 第10章 发动机热试车动态信号测试及故障分析 10.1 引言 10.2 发动机热试车动态信号测量 10.2.1 测量方案 10.2.2 测量参数 10.2.3 测点布置 10.2.4 测量系统的选择 10.2.5 试车测量中的抗干扰技术 10.2.6 试车动态参数测量分析系统 10.2.7 某发动机试车测量参数及传感器技术指标 10.3 发动机热试车动态数据分析 10.3.1 数据分析基本理论 10.3.2 试车动态数据分析方法 10.4 基于发动机动态数据分析的力学环境试验条件设计 10.4.1 低频正弦振动 10.4.2 高频振动 10.4.3 冲击响应谱 10.5 基于发动机动态信号处理的故障分析 10.5.1 发动机试车大振动故障分析 10.5.2 某型发动机试车结构损坏分析 参考文献