张 翼,张 婷,满 满,张雨佳,陆文婷
(1.北京宇航系统工程研究所,北京,100076;2.首都航天机械公司,北京,100076;3.北京航天万源科技公司,北京,100076)
摘要:基于AMESim软件对一种排气阀建立了动力学分析模型,求解了导向杆与主阀芯、主阀芯与阀座撞击时刻的最大撞击速度;基于Abaqus软件建立了发生碰撞部件的有限元模型,求解了该撞击速度对应的最大撞击应力。研究结果表明:采用的数值分析方法可为阀门导向结构的强度设计和试验预示提供指导。
关键词:排气阀;导向杆;撞击速度;撞击应
引 言
阀门是液体运载火箭动力系统的关键单机,具有截流、调节等作用。阀门中的导向结构能够实现定位、对中、运动等功能,在阀门性能中具有关键作用。导向结构的精度、灵活性和可靠性是阀门最重要的功能和性能指标之一。
箭上阀门导向结构的故障模式包括运动卡滞、强度失效、疲劳破坏等,这些故障模式都会造成阀门功能失效。本文对阀门导向杆在运动撞击过程中的撞击速度及撞击应力进行仿真分析,能够为提高产品的性能和可靠性提供指导。
1 排气阀
本文主要研究液体运载火箭增压系统的排气阀,结构原理见图1。排气阀内腔可以分为2部分:控制腔和主阀腔,2个腔由密封圈隔离。贮箱需要排气时,排气阀通过C口通入控制气推动副阀芯向左运动,副阀芯和导向杆再推动主阀芯向左运动,从而打开阀门。
阀门打开后,贮箱内气体通过排气阀B口经主阀腔通过A口排出。若需要关闭排气阀,则通过C口排出控制腔内气体,主副阀芯和导向杆受弹簧力作用复位,排气阀关闭。
排气阀正常工作时控制气源压力为4.9 MPa(绝压),贮箱压力0.34 MPa(绝压)。
图1 排气阀原理
对排气阀工作过程进行分析,阀门开启过程中,副阀芯受到强制力作用向左快速运动,导向杆将对初始为静止的主阀芯金属骨架产生撞击。
阀门关闭过程中,导向杆向右运动,主阀芯、导向杆受到弹簧力作用向右快速运动,主阀芯端面上的密封圈将和阀座发生撞击。导向杆撞击接触部位结构见图2。
图2 撞击结构
2 导向杆撞击速度计算
根据排气阀结构搭建AMESim模型,模型包括主弹簧、主阀芯、副弹簧、副阀芯、导向杆、主阀腔、控制腔以及控制气源等部分具体模型见图3。
图3 排气阀动特性分析模型
模型设置的结构参数根据产品实际情况进行确定,主要性能参数见表1。开展仿真前,明确使用工况见表2。
表1 模型主要性能参数表
表2 模型工况表
通过在B口保持压力的情况下,C口加载控制气,模拟排气阀打开过程,计算导向杆与主阀芯撞击速度,见图4。
由图4可知,排气阀打开正常,在0.0007s时,导向杆与主阀芯发生碰撞,导向杆撞击主阀芯最大速度为3.52 m/s。
图4 导向杆撞击主阀芯速度
将C口控制气撤除,模拟排气阀关闭,计算主阀芯撞击阀座速度,计算结果见图5。
图5 主阀芯撞击阀座速度
由图5可知,排气阀关闭正常。导向杆与主阀芯脱离时主阀芯速度即为主阀芯撞击阀座最大速度,为1.37 m/s。
3 导向杆撞击应力计算
基于Abaqus软件建立导向杆撞击有限元模型,应用Dynamic Explicit非线性模块分析撞击应力。
3.1 材料属性
计算中采用的材料性能参数见表3。
表3 材料参数
(来源:中国泵阀第一网)
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