一种火箭发动机复杂管路系统自动化建模与分析方法技术方案

本发明专利技术提出了一种火箭发动机复杂管路系统自动化建模与分析的方法，应用于火箭发动机复杂管路系统建模繁琐、管路结构种类较多和管路布置方式相对复杂的技术要求与场景。主要包括：多条空间复杂管路的建立，复杂管路系统的装配，管夹的引入与位置确定、复杂管路系统的有限元分析和优化等。首先，确定各条独立管路系统的拐点位置坐标(矩阵形式)，其次，按照其独立坐标系的相互位置装配各条管路，再次，在特定位置引入管夹，并对各部件的力学参数和材料属性进行赋予，设置固定边界条件，进行网格的划分，最后，对所建立复杂管路系统进行有限元分析，可根据实际工况要求对参数进行优化。本发明专利技术在火箭发动机管路系统的前期整体结构设计与优化起到了指导性作用。设计与优化起到了指导性作用。设计与优化起到了指导性作用。

【技术实现步骤摘要】
一种火箭发动机复杂管路系统自动化建模与分析方法


[0001]本专利技术涉及复杂管路系统建模及分析
，特别是一种火箭发动机复杂管路系统自动化建模与分析方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国航空航天领域的迅速发展和重大需求，对相关装备的设计和制造都提出了更高的要求，同时，创新和优化过程中也遇到了一系列“卡脖子”问题。其中最主要的是提高大型飞机、重型火箭等飞行器的可靠性和服役能力，而发动机作为各类飞行器的“心脏”，起到了至关重要的作用，同时各类发动机都离不开复杂管路系统的支撑和参与，数以百计的管路连接系统起到气体(流体)的控制与交互作用。在极其恶劣的工作环境下，会出现管接头断裂、疲劳破坏等问题，都极大程度的影响了我国航空航天事业的推进和运行。
[0003]由于复杂管路系统的组成较为庞大和繁琐，不仅在设计和制造过程中造成了昂贵的费用，也影响着整个研制周期的效率。故在复杂管路系统设计过程中，利用管路空间结点矩阵的形式进行自动化建模，方便进行发动机复杂管路系统的优化制造和批量性管理，也为管路系统设计后的力学特性分析与结构优化工作奠定了基础。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：提供了一种火箭发动机复杂管路系统自动化建模与分析方法，解决了火箭发动机复杂管路系统建模繁琐、管路结构种类较多和管路布置方式相对复杂的问题，为批量性管理和设计优化提供了方法。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种火箭发动机复杂管路系统自动化建模与分析方法，包括如下所述的步骤：
[0007]第一步，建立第P1、P2、
……
P
i
条管路的所有坐标点(拐点)的坐标位置，并用矩阵形式表示：
[0008][0009]矩阵中，横行表示单条管路的所有坐标，O1、O2、
……
O
i
表示其建模的i个独立坐标系，纵列表示每条管路的相互关系，其中每条管路的坐标点数量可能存在α≠β≠γ的关系式；
[0010]第二步，可分别对所述每条独立的空间管路设置其尺寸参数，包括管路半径、管路壁厚、管路折弯半径等，并通过该参数创建截面属性，进一步利用路径扫略的方法建立三维模型，所设置的参数管路之间相互独立，单条管路具有相同的尺寸参数；
[0011]第三步，在复杂管路系统坐标系O下，按照O1、O2、
……
O
i
之间的位置关系进行复杂管路系统的装配，相互之间的位置关系通过预设点位置进行约束；
[0012]第四步，针对装配完成后的复杂管路系统，进一步引入管夹并进行位置约束，管夹PC1、PC2、
……
PC
ζ
的夹持原则为：按照相邻两条管路P
i
‑1和P
i
的四个相邻点[P
i
‑1(x
α
‑1，y
α
‑1，z
α
‑1)，P
i
‑1(x
α
，y
α
，z
α
)，P
i
(x
β
‑1，y
β
‑1，z
β
‑1)，P
i
(x
β
，y
β
，z
β
)]，其中，四个拐点的三轴向坐标有其中两个相同，即可完成管路的夹持，并且夹持位置可以在该段管路任意选取，达到优化的目标；
[0013]第五步，针对所建管路P1、P2、
……
P
i
和管夹PC1、PC2、
……
PC
ζ
的三维模型，对其材料属性进行赋予，在此可根据实际发动机设计时所选的材料，主要包括了密度、弹性模量、泊松比和阻尼系数等，为有限元分析提供基础参数支撑；
[0014]第六步，对上述所建复杂管路装配体三维模型进行边界条件的支撑固定，其中可选择的固定点为复杂管路系统入口的P1(x1，y1，z1)、P2(x1，y1，z1)、
……
P
i
(x1，y1，z1)和管路系统出口的P1(x
α
，y
α
，z
α
)、P2(x
β
，y
β
，z
β
)、
……
P
i
(x
γ
，y
γ
，z
γ
)等；
[0015]第七步，针对所建复杂管路系统的三维模型，进行各部件的网格划分，在此步骤时，根据所建部件的尺寸、形状和特征等属性进行多次网格调节，达到最终分析效果最优的目的；
[0016]第八步，对上述所有步骤完成的复杂管路系统，可进行有限元分析，主要包括：静刚度分析、模态分析和随机振动分析等，通过仿真计算得到管路系统的固有频率和结构的薄弱位置，为优化提供了技术支撑；
[0017]第九步，通过第八步仿真得到的结果，按照优先顺序对管路系统进行优化，其中：
①
针对所建薄弱的管路，进一步优化管路的尺寸参数，主要包括了提高管路半径、增大壁厚和改变折弯半径的等，
②
根据管夹的夹持位置，优化所在系统中的位置，能够达到调频和改变振型的目的等，
③
改变各部件的材料属性参数，可调整建立不同材料的模型，提高管路系统刚度和稳定性的目的；
[0018]第十步，通过上述一系列过程，包括复杂管路系统的整个建模及分析和优化的过程，能够满足实际发动机工况和服役需求时，该自动化建模及分析方法结束。
[0019]本专利技术的有益效果在于：所述
技术实现思路
考虑到复杂管路系统在满足功能需求情况下，其拐点在空间内布置的随机性。所述方法能够高效完成复杂管路系统的建模与批量管理，弥补现有三维建模方式较为复杂、且修改模型较为繁琐的缺点，不仅可以高效的完成设计工作，而且还能根据实际工况进行优化分析，也为设计人员提高工作效率和降低制造成本。
附图说明
[0020]图1为一种火箭发动机复杂管路系统自动化建模与分析方法流程图；
[0021]图2复杂管路系统自动化建模矩阵坐标点关系图；
[0022]图3为复杂管路系统自动化建模实例示意图。
具体实施方式
[0023]本专利技术说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
[0024]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0025]参照图1，所示为一种火箭发动机复杂管路系统自动化建模与分析方法流程图，如图1所示，该数值模拟方法，包括如下所述的步骤：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种火箭发动机复杂管路系统自动化建模与分析方法。主要包括：多条空间复杂管路的建立，复杂管路系统的装配，管夹的引入与位置确定、复杂管路系统的有限元分析和优化等。首先，确定各条独立管路系统的拐点位置坐标(矩阵形式)，其次，按照其独立坐标系的相互位置装配各条管路，再次，在特定位置引入管夹，并对各部件的力学参数和材料属性进行赋予，设置固定边界条件，进行网格的划分，最后，对所建立复杂管路系统进行有限元分析，可根据实际工况要求对参数进行优化。2.根据权利要求1所述的自动化建模方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，建立第P1、P2、
……
P
i
条管路的所有坐标点(拐点)的坐标位置，并用矩阵形式表示：矩阵中，横行表示单条管路的所有坐标，O1、O2、
……
O
i
表示其建模的i个独立坐标系，纵列表示每条管路的相互关系，其中每条管路的坐标点数量可能存在α≠β≠γ的关系式；第二步，可分别对所述每条独立的空间管路设置其尺寸参数，包括管路半径、管路壁厚、管路折弯半径等，并通过该参数创建截面属性，进一步利用路径扫略的方法建立三维模型，所设置的参数管路之间相互独立，单条管路具有相同的尺寸参数；第三步，在复杂管路系统坐标系O下，按照O1、O2、
……
O
i
之间的位置关系进行复杂管路系统的装配，相互之间的位置关系通过预设点位置进行约束；第四步，针对装配完成后的复杂管路系统，进一步引入管夹并进行位置约束，管夹PC1、PC2、
……
PC
ζ
的夹持原则为：按照相邻两条管路P
i
‑1和P
i
的四个相邻点[P
i
‑1(x
α
‑1，y
α
‑1，z
α
‑1)，P
i
‑1(x
α
，y
α
，z
α
)，P
i
(x
β
‑1，y
β
‑1，z
β
‑1)，P
i
(x
β
，y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴琼，杨帅，高瀚君，刘钊郡，何昆，刘曌俞，李雪飞，
申请(专利权)人：北京航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：