介质载荷对输送管路振动响应的影响

夏江宁，韩文龙，逯志国，宋汉文

（1. 北京强度环境研究所，北京 100076；2. 同济大学 航空航天与力学学院，上海 200092）

介质载荷对输送管路振动响应的影响

夏江宁1，2，韩文龙1，逯志国1，宋汉文2

（1. 北京强度环境研究所，北京 100076；2. 同济大学 航空航天与力学学院，上海 200092）

航天器推进剂的输送管路在飞行过程中承受了低温、内压及振动等复合载荷的作用，因此对管路的结构疲劳及振动特性的分析研究是航天器研制阶段的重点之一。为了研究多种介质载荷综合施加的影响，文章分析了无介质载荷、内压载荷、低温-内压-附加质量综合介质载荷等3种条件下输送管路结构的振动响应特性，获得了3种介质载荷对薄壁轻质管路的影响规律，便于指导开展以后的航天器输送管路地面验证试验。

输送管路系统；介质载荷；基础激励；飞行环境载荷

0 引言

液体发动机运载火箭在飞行阶段，贮箱里的液体推进剂在涡轮泵的作用下通过箭体管路系统输送到燃烧室，供发动机工作之用。因此，推进剂输送管路是航天器动力系统的重要组成部分。在地面试验中，输送管路系统的动力学考核试验是动力试车的基本保障条件之一。

目前，对输送管路系统的研究主要集中在管路自身动力学特性分析和疲劳损伤方面。为了降低管路的振动响应，应避免其固有频率与外部激励及流动的液体发生耦合。李琳［1］和刘伟等人［2］通过优化固定方案来调节管路结构动力学特性，使得诱发管路结构振动的能量最小，进而降低了薄弱点的振动响应极值。李会娜等人［3］以增加卡箍数量的方式提高了管路固有频率，从而避开与泵的共振，减小了管路的振动量级。在基础激励的条件下，管路疲劳特性与激励量级、方向及其振动响应有着密切关系。王琳等人［4］应用功率谱密度法对高压管道的疲劳寿命进行了分析，而王帅等人［5］对承受单轴和多轴振动载荷环境的管路系统进行了疲劳损伤的研究。

工作状态下的输送管路系统不但承受严酷的飞行环境载荷（主要是随机振动载荷），还承受介质载荷的作用［6］。在以前的相关研究中，主要分析了单介质载荷对管路系统动力学特性的影响，如内压载荷［7-8］、低温载荷［9-11］等，而对于管路承受多种介质载荷情况下的研究尚属空白。本文针对航天器输送管路的实际工况，归纳出低温、内压、附加质量这3种介质载荷，并重点分析这3种介质载荷在发动机的基础激励下对薄壁轻质管路系统的振动响应规律。

1 理论基础

输送管路系统在飞行过程的动力学方程为

式中：Mp、Cp和Kp分别是输送管路系统的质量阵、阻尼阵和刚度矩阵，矩阵大小与测点数量有关；、｛｝和｛x｝分别为管路测点的加速度、速度和位移；Ld为管路内部的介质载荷；｛Lr｝为飞行环境载荷。

在地面试验中，常使用振动台输出的基础激励模拟航天器发动机对管路系统的飞行环境载荷，其表达式为

其中：｛Lf｝为模拟发动机的激励；fs为振动台的电磁激励。

输送管路系统在地面模拟试验中的介质载荷应尽可能地近似真实的飞行状态。介质载荷主要包括流体重力、内压、内压引起的不平衡力以及低温变形应力载荷等，考虑这些因素，则有

式中：Mf为管内的流体质量；｛Pi｝为管内节点的压力；Tf为稳定后的流体温度；｛Fs｝为管路弯管及固定端的不平衡力。

2 试验验证

输送管路系统试验件由 2根管路组成（见图 1）。输送管路与振动台组成的试验系统如图 2所示。其连接方式为：管路1的A端通过转接工装固定在振动台的垂直台面，B端竖直固定在龙门架上；管路2的C端通过法兰盘（见图1（a）中测点7和8位置）与管路1相连，D端也通过转接工装固定在龙门架上。

液气两相的介质载荷施加过程为：

1）氮气载荷。氮气通过A端法兰盘输入到试验管路，由氮气瓶阀门开关控制管内氮气压力。

2）液氮载荷。液氮先由液氮罐经龙门架顶端的液氮平衡罐输送到试验管路内，由平衡罐内部的阀门控制试验管路中的液压。

图1　输送管路系统试验件Fig. 1 Samples of the transportation pipeline system

图2　输送管路振动试验系统示意Fig. 2 Schematic diagram of vibration test system for the transportation pipelines

试验中，在管路保温层外布置9个测点（如图1（a）所示），安装了9个加速度传感器，用于测量管路在复合载荷作用下的振动响应。其中：1#～3#传感器安装在管路 1与振动台台面相连的法兰盘上；4#～6#传感器安装在管路1的侧壁上；7#～8#传感器安装在管路1和管路2的连接法兰盘上；9#传感器安装在管路1上端的侧壁上。

随机振动试验的频率为20～1000Hz，并且根据管路安装位置的不同，加速度的方均根值分布在13～26grms。试验研究了管路内部分别为无介质载荷、内压载荷（0.72MPa氮气）和低温-内压-附加质量综合介质载荷（0.72MPa液氮）3种工况条件下管路的振动响应传递规律。为了直接分析管路系统的结构动力学特性，以管路测点的响应谱与台面控制谱之间的传递函数为研究对象，3种工况条件下管路响应传递函数的幅频曲线见图3。

由图3分析可知，与无介质载荷的管路响应传递曲线相比，内压介质载荷和低温-内压-附加质量综合介质载荷对管路的振动响应的影响主要体现在：1）内压载荷使得管路结构的刚度增大、阻尼减小，表现为管路固定法兰盘（测点1～测点3）出现前4阶共振频率后移和响应明显放大等现象，而输送管路（测点 4～测点 9）在试验频段内响应曲线辐值增大；2）综合介质载荷工况下，管路内部液氮产生的测点4附加质量远大于管路结构的自身质量，从而降低了管路结构的固有频率，增大了结构的固有阻尼，不但使得管路结构（全部测点）的前3阶共振频率前移，还使得输送管路（测点4～测点 9）在整个试验频段内出现明显的响应峰值衰减现象。内压介质载荷和低温-内压-附加质量综合介质载荷对管路动特性的影响详见表1。

图3　3种介质载荷条件下管路测点与台面控制点之间的响应传递函数曲线Fig. 3 Response transfer function curves between measurement point of the pipelines and control point of the vibration table under the condition of three medium loads

表1　不同介质载荷条件下的结构振动响应对比Table 1 Comparison of the structural response characteristics of the pipeline under various medium load conditions

为了更加清晰地展现管路系统在 3种介质载荷条件下的振动能量从振动台台面到龙门架支撑处的传递规律，图4给出了管路各测点响应方均根的传递曲线。

根据图4可知，基础激励下的输送管路在3种介质载荷条件下，其测点的响应方均根值都按照传递路径呈现逐渐递减的趋势，但是衰减趋势存在明显的差异，主要体现在：管路在内压介质载荷下的振动响应显著高于无内压载荷和综合介质载荷的管路响应，而低温-内压-附加质量的综合介质载荷使得管路的振动响应比无内压管路的略小。因此，对于薄壁轻质的输送管路来说，内压介质载荷对其管壁结构的疲劳强度有较大影响，而综合介质载荷与无介质载荷对管壁的影响基本相同。但由于综合介质载荷的附加质量远大于管路自身质量，所以会对管路支架产生较大的应力，故而在试验中需重点关注支架的疲劳特性。

图4　试验管路在不同介质载荷作用下的响应传递规律Fig. 4 Response transfer characteristics of the pipeline under various medium loads

3 结束语

在模拟真实工作环境的振动试验过程中，输送管路的介质载荷直接影响振动响应的传递规律。对于输气管路（内压介质载荷）来说，其振动响应较大，存在更高的结构疲劳破坏或者焊缝开裂的风险；而对于输液管路（低温-内压-附加质量综合介质载荷）来说，虽然管路自身的振动响应较小，但是由于内部液体的附加质量较大，会对管路的固定约束产生较大的支座反力，存在使约束松动的风险。

（References）

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（编辑：许京媛）

Influence of medium load on vibration response of transportation pipelines

XIA Jiangning1，2， HAN Wenlong1， LU Zhiguo1， SONG Hanwen2
（1. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering， Beijing 100076， China 2. School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics， Tongji University， Shanghai 200092， China）

During the flight， the transportation pipelines of the spacecraft， which convey the fuel from the store tank to the engine， are subject to composite environmental loads， such as the low temperature， the internal pressure and the vibration. So the structural fatigue analysis and the dynamics identification of the pipelines are very important in the development course. This paper analyzes the responses of the transportation pipeline system in the vibration test under three medium load conditions， i.e. the state of the non-load， the internal pressure and the combined load of low temperature-internal pressure-additional mass， and the impacts of the medium load applied to the thin-wall and light weight pipelines. The conclusion may be useful for the ground validation test of spacecraft transportation pipelines.

transportation pipeline system； medium load； base excitation； flight environmental load

V416.5

A

1673-1379（2016）04-0399-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.011

2015-12-03；

2016-07-21

夏江宁（1976—），男，在职博士研究生，高级工程师，研究方向是结构动力学及环境试验技术。E-mail:xjn_xj0516@163.com。