當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月28日美國(guó)軌道科學(xué)公司向國(guó)際空間站發(fā)射“天鵝座”無(wú)人貨運(yùn)飛船,運(yùn)載火箭起飛6秒后爆炸。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析工程應(yīng)用簡(jiǎn)單介紹

隨著形形色色飛行器的出現(xiàn)，動(dòng)力固有特性分析也出現(xiàn)許多特殊的問(wèn)題。例如，火箭、導(dǎo)彈雖然基本上近似一個(gè)一維梁系統(tǒng)，但它們往往存在著級(jí)間連接與數(shù)目較多的分離面(接頭),這使得結(jié)構(gòu)的剛度分布、阻尼分布發(fā)生變化，給固有特性的精確分析帶來(lái)困難；大型液體燃料火箭廣泛存在著液體晃動(dòng)問(wèn)題，它對(duì)固有特性有不可忽視的影響；人造衛(wèi)星經(jīng)常采用自旋穩(wěn)定方案，并安裝有柔度很大的附件，如太陽(yáng)能帆板、天線(xiàn)等，構(gòu)成具有轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體及柔性體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，使它的固有特性分析更加復(fù)雜化。一、飛行器分離面（接頭）對(duì)固有特性的影響

大部分火箭、導(dǎo)彈類(lèi)型的飛行器都具有較多的接頭，它們使全彈的剛度分布發(fā)生局部擾動(dòng)，如圖所示。一、飛行器分離面（接頭）對(duì)固有特性的影響接頭使剛度損失可達(dá)(30~40)%,如表一、飛行器分離面（接頭）對(duì)固有特性的影響對(duì)彈體固有特性的影響1.使全彈的固有頻率下降

由于接頭削弱了附近彈體的剛度，同時(shí)接頭處往往存在空隙，因而它們都使全彈的固有頻率降低。影響程度與接頭的數(shù)量、類(lèi)型、位置相關(guān)。下表中列舉了一些導(dǎo)彈的一階頻率由于接頭而引起的下降情況。一、飛行器分離面（接頭）對(duì)固有特性的影響對(duì)彈體固有特性的影響2.使全彈的振動(dòng)發(fā)生畸形接頭的存在，改變了剛度分布，必然使振型形狀、節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變化。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)位置是個(gè)重要參數(shù)，所以，為了精確確定振型，必須考慮接頭的響應(yīng)。圖8-2所示為某彈前三階振型受接頭影響的變換情況。圖中x為彈體軸向坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在彈體頭部理論頂點(diǎn)，為振型幅值。應(yīng)當(dāng)注意，同樣的接頭，所處的位置不同影響也不同。一般來(lái)講，在導(dǎo)彈彈體中部的接頭影響更加突出。問(wèn)題的特點(diǎn)二、貯箱內(nèi)液體晃動(dòng)對(duì)固有特性的影響晃動(dòng)頻率及晃動(dòng)激烈程度均與下列因素有關(guān)：容器形狀；推進(jìn)器性質(zhì)；阻尼隔板設(shè)置情況；推進(jìn)劑液面高度；加速度場(chǎng)的情況。在飛行過(guò)程中，隨著燃料不斷燃燒，推進(jìn)劑液面情況不斷發(fā)生變化，從而對(duì)系統(tǒng)固有特性的影響也隨之變化。這是本問(wèn)題的主要特點(diǎn)。一般說(shuō)來(lái)，為了掌握整個(gè)飛行過(guò)程的固有特性情況，就要分析各個(gè)不同的推進(jìn)劑燃燒階段的頻率與振型。另外一個(gè)特點(diǎn)是，一般只需考慮低階情況，特別是一階情況。因?yàn)榻?jīng)研究指出，對(duì)于圓柱殼體，二階晃動(dòng)質(zhì)量?jī)H為一階晃動(dòng)質(zhì)量的3％，而且在高階情況下液體內(nèi)部將產(chǎn)生紊亂的擾動(dòng)，使阻尼激增，故二階以上可不予考慮。推進(jìn)劑晃動(dòng)頻率的確定二、貯箱內(nèi)液體晃動(dòng)對(duì)固有特性的影響工程上常采用當(dāng)量變換的方法，在對(duì)殼體壁作用的力與力矩相等、頻率相當(dāng)?shù)臈l件下，將液體晃動(dòng)模型等價(jià)代換為機(jī)械力學(xué)模型。一旦建立了當(dāng)量機(jī)械模型，對(duì)于各種飛行器的液體晃動(dòng)問(wèn)題，可根據(jù)它們的液體參量、飛行狀態(tài)參量、飛行器參量很容易地確定出當(dāng)量機(jī)械模型參量，從而確定出晃動(dòng)頻率。一般采用的液體側(cè)向晃動(dòng)當(dāng)量機(jī)械模型有兩種。1.彈簧質(zhì)量模型根據(jù)殼體半徑及液面高度，可按流體動(dòng)力學(xué)分析導(dǎo)得的當(dāng)量公式確定貯箱中液體固定質(zhì)量m0、晃動(dòng)質(zhì)量m1?；蝿?dòng)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)受到彈簧與阻尼器的約束，其模型如圖8-10所示。模型中阻尼系數(shù)C、彈簧剛度K1都按流體動(dòng)力學(xué)導(dǎo)得的當(dāng)量公式確定。當(dāng)阻尼較小時(shí)，阻尼的作用可以忽略。推進(jìn)劑晃動(dòng)頻率的確定二、貯箱內(nèi)液體晃動(dòng)對(duì)固有特性的影響2.自由擺模型從晃動(dòng)的物理現(xiàn)象來(lái)看，將它等價(jià)為一個(gè)當(dāng)量擺是無(wú)可非議的。此模型如圖8-11所示。其中等參量也是由流體動(dòng)力學(xué)分析得到的當(dāng)量公式來(lái)確定。進(jìn)行這種模型代換后，液體晃動(dòng)問(wèn)題的處理就與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的其它部件的處理方式完全相同。考慮到將它們并入全系統(tǒng)模型的方便性，在飛行器動(dòng)態(tài)分析中更習(xí)慣與采用彈簧質(zhì)量模型。由兩種模型均取一個(gè)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量點(diǎn)m1可知，模型中值考慮晃動(dòng)的一階模態(tài)。并入全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的兩種方式二、貯箱內(nèi)液體晃動(dòng)對(duì)固有特性的影響液體晃動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征引入全系統(tǒng)的方式有以下兩種。(1)將它從基本模型中分離出來(lái)，單獨(dú)擬定模型，導(dǎo)出其剛度、阻尼、慣性的等特性參量，然后以獨(dú)立的廣義坐標(biāo)耦合到總系統(tǒng)中去構(gòu)成總運(yùn)動(dòng)方程，聯(lián)立求解。這樣求解的優(yōu)點(diǎn)是，可以形象地看到晃動(dòng)的液體在整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性中的地位與作用。(2)將晃動(dòng)液體的質(zhì)量特性、剛度特性直接并入全系統(tǒng)模型對(duì)應(yīng)位置上，如圖8-12所示。對(duì)于流體晃動(dòng)的影響，則在總系統(tǒng)中增加一個(gè)分支系統(tǒng)反映。這種考慮方式簡(jiǎn)單，但較為粗糙。有飛行器在動(dòng)態(tài)分析時(shí)，初始階段采用此法處理，在最后分析階段則改用第一種方式處理?！巴列荲”發(fā)射器就經(jīng)歷了這一過(guò)程。并入全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的兩種方式二、貯箱內(nèi)液體晃動(dòng)對(duì)固有特性的影響關(guān)于晃動(dòng)液體對(duì)全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)固有特性的影響，其處理方法雖然基本上可以滿(mǎn)足工程需求，但是，由于液體的晃動(dòng)而使結(jié)構(gòu)固有特性頻帶變寬，增加了發(fā)生耦合振動(dòng)的可能性；另外，它提供了一個(gè)激勵(lì)源，是導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的渠道之一；同時(shí)，由于燃料量在整個(gè)飛行器中不斷變化，從而使全系統(tǒng)固有頻率與振型都成為時(shí)間的變化量；這些都給動(dòng)力設(shè)計(jì)帶來(lái)了附加困難。為此，工程上往往采用結(jié)構(gòu)措施（如設(shè)計(jì)阻尼擋板，采用集束式貯箱）或系統(tǒng)化措施（燃料按程序轉(zhuǎn)移，燃燒次序化等），盡量降低液體晃動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)力影響。三、舉例說(shuō)明：8HZ振動(dòng)現(xiàn)象從楊利偉的不適改起

2003年10月，航天員楊利偉搭乘“神舟五號(hào)”升空時(shí)，曾在一個(gè)短暫的時(shí)間內(nèi)感到非常不適。長(zhǎng)二F火箭研制人員在了解到這一情況后，立即分析數(shù)據(jù)查找原因。數(shù)據(jù)分析顯示，火箭在上升期間曾出現(xiàn)過(guò)短暫的共振現(xiàn)象。為此研制人員對(duì)發(fā)射“神舟六號(hào)”飛船的長(zhǎng)二F火箭進(jìn)行了改進(jìn)?！吧窳鄙系暮教靻T沒(méi)有產(chǎn)生特別的不適感，但技術(shù)人員通過(guò)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)火箭從起飛126秒開(kāi)始還是出現(xiàn)了逐漸增大的縱向單頻振動(dòng)，頻率約為8Hz(以下稱(chēng)為“8Hz”振動(dòng))。如果這一問(wèn)題不解決，“神七”上的航天員還有可能產(chǎn)生像楊利偉那樣的感覺(jué)。因此，火箭系統(tǒng)“兩總”系統(tǒng)決心在發(fā)射“神七”的火箭上解決這一問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析，研制人員發(fā)現(xiàn)“8Hz振動(dòng)”現(xiàn)象是助推器動(dòng)力輸送系統(tǒng)導(dǎo)致的比較典型的縱向耦合振動(dòng)?；鸺皟煽偂苯M織研制人員對(duì)“8Hz”問(wèn)題進(jìn)行了深入的理論研