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LMS仿真与试验解决方案
LMS仿真与试验解决方案 (编号 1107) http://www.siemens.com.cn/plm/lms
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回归月球,憧憬火星--NASA借助LMS Virtual.Lab评估火箭喷管的关键载荷
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(美国)国家航空和宇航局Marshall宇航中心的研究人员使用LMS Test.Lab采集的模态数据,并结合LMS Virtual.Lab创建混合模型,来评估庞大的火箭喷管的关键载荷,新型火箭喷管将用于NASA下一代Ares运载火箭中。

Marshall宇航中心的结构动态试验部负责美国国家航天局的部分模态试验,将使用LMS Test.Lab用于新运载火箭的地面共振试验。NASA的工程师和研究人员在很多项目中,采用LMS的技术来设计和测试先进的航天器。他们期望在未来的数十年里,新的航天器能自由穿梭于太阳系。

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根据预定计划,NASA的宇航员将于2015年重返月球,并建立新的月球空间站。以月球空间站为基地,预计2030年将实施6个月飞往火星的计划。探索家们将乘坐新一代Ares运载火箭飞往月球、火星以及宇宙中其他目的地。新的运载火箭将采用配有世界上最大火箭喷管的J-2X推进系统作为动力。NASA的工程师们使用LMS Test.Lab对喷管复制品进行模态试验并采集试验数据,采用LMS Virtual.Lab创建了系统响应模型,用于计算巨大喷管关键的侧壁载荷。试验是由Marshall宇航中心的结构动态试验部完成的,他们使用LMS Test.Lab为美国国国家航天局的很多项目进行模态试验——包括即将开展的Ares运载火箭整机的地面共振试验(GVT)。

大型喷管的强大推力

在五个R S - 6 8 发动机的核心推进阶段——现有的最大的液态氢/液态氧火箭发动机——巨大的Ares V运载船将承载360英尺高,以及超过286,000磅的升力进入低地球轨道:这几乎是航天飞机有效载荷重量的五倍。它的副飞行器Ares I,将作为载人运载火箭,将宇航员继续送往太空。

两个运载火箭的上升阶段将由高效强劲的J-2X液态发动机驱动,专门设计的J-2X可以提供火箭升空所需的推力,同时能够保证长时间的太空飞行。J-2X的喷管长超过15英尺,直径达10英尺,是世界上迄今为止最大的火箭喷管。

喷管侧壁载荷的潜在风险

工程师在设计火箭喷管,特别是像J-2X这样的大型火箭喷管时,仔细考虑的内容之一是分离现象。这一现象的发生,是由于快速膨胀的排气具有相对低的气压,使得外部大气气体吸入喷管边缘。排气从侧壁排出会对喷管产生巨大的不对称的横向载荷,使外形变形,并因此扰动排气流,产生更大的分隔。产生的流体结构的相互作用可以造成10-G共振,导致侧壁出现几英寸变形——这足以让喷管产生裂缝或者破坏控制推进方向的操作臂。

由于上诉风险的存在,侧壁载荷在火箭喷管设计中是非常重要的参数。这些力的准确值很难直接测量获得,并且到目前为止,没有可行的技术能够精确地预测载荷的量级和频率。在开发解决这一问题的方法时,NASA研究人员在MSFC的试验室详细研究火箭分离现象,他们按照5:1的比例构建了火箭喷管模型,并对模型作用加压的空气。目的在于对喷管的等比复制品作用有规则的振动来计算导致振动的未知力大小。采用这种方法是要能够精确创建计算机模型,可以与试验室的真实喷管相符合。

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Ares V运载船和Ares I载人运载火箭升空阶段的动力是由J-2X液态发动机提供的,
J-2X是世界上迄今为止最大的火箭喷管。

构建系统响应模型

火箭复杂装配的结构动态模型很难创建。因此,利用LMS Test.Lab采集的模态数据模型创建了独特的系统响应模型,LMS Test.Lab系统包括多通道数据采集前端,以及集成测试、分析和显示功能的软件包。模态数据用于LMS Virtual.Lab仿真平台,利用系统级响应分析技术构建整体仿真模型。装配定义工具可以定义各个零部件之间的各种连接,而且部件表述管理功能可以保持每个零部件属性的跟踪。

系统响应模型根据共振频率、模态振型和阻尼定义结构的整体动态性。这种方法最大的优点之一是仅有少量感兴趣的关键物理点需要进行测试。用于创建系统响应模型的各个模态必须是相互独立的。针对这方面的考虑,LMS PolyMAX用于量化每个模态的幅值和频率,LMS模态置信准则(MAC)的3D图表用于检查这些量级,确保选择的模态能够最精确地表述结构的动态特性。此外,LMS Test.Lab还可以根据电磁激振器作用的输入力来获得振动响应。然后,测量结果与预测值通过比较来检查系统响应模型的有效性,两种值的比较可以通过比例因子进行调整。这样,喷管的侧壁载荷可以用确定的反作用力进行计算,因为,喷管的能量谱密度(PSD)响应可以由各种输入力获得,其幅值和频率都可以反复调整直至测量值和预测值之间达到比较好的匹配。

流程得到验证后,系统响应模型就可以用于计算由各种火箭喷管振动产生的侧壁力。对喷管等比的复制品进行模态测量,可以将这一流程应用于J-2X。

LMS Test.Lab与LMS Virtual.Lab无缝集成的优势

为了判定比例因子,使用LMS Virtual.Lab创建系统模型,并快速进行FRF迭代,对于开发流程来说至关重要。LMS Test.Lab与LMS Virtual.Lab之间的紧密集成,使得数据能够在两个系统平台间自由转换,而无需使用另外的数据转换文件,这样可以避免关键数据,例如频率响应函数,在转换过程中出现错误或者丢失。在这种混合技术中,使用试验数据,结合建模和预测仿真工具,将有助于工程师更加准确地判定横向分离力,因此才能获得足够的信息来设计能够更好地承受工作载荷的火箭喷管。

上述的开发方法是极具潜力的,可以应用于所有的火箭喷管设计,特别适于类似于J-2X这种用于未来航天器中液态发动机的大型喷管。从更广泛的意义来说,基于模态试验数据创建系统模型的系统响应方法已经证实在类似结构的研究和开发中非常有价值,因为这种结构的建模非常困难,并且其动态特性常常是首要考虑的。

通过这种方法,这个项目有助于开发今后的火箭推进系统,此外,还可以用于更多其他行业的工程应用中。

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Marshall宇航中心的NASA工程师们采用LMS Test.Lab建立了一个五级的发动机测试模型:一旦点燃将会是最强劲的火箭发动机

新一代航天器的地面共振试验

喷管侧壁载荷预测项目是NASA在MSFC的结构动态试验室使用LMS Test.Lab进行的典型试验之一。这个试验室负责宇航局多个项目中的大部分模态试验,包括太空望远镜系统、机载设备、自动化机械臂、发动机叶片和火箭喷管。目前正在准备Ares I的地面共振试验(GVT),这项试验将于2011年在MSFC的动态试验站进行试验。试验将对整套系统进行测试,包括第一阶段和第二阶段发动机,燃料箱和乘务舱。结构振动试验需要使用六个液压激振器和电动式激振器产生随机和正弦激励。LMS Test.Lab可以为工程师提供关键试验数据,包括频率响应函数(FRF),固有频率,阻尼值和模态振型,来评估系统结构在升空、脱离阶段和后续的飞行阶段的振动情况。

260通道数的LMS SCADAS III数采前端系统是NASA采用的大型模态数据采集系统之一。高通道数使得模态试验测量能够在更短的时间内完成。同时测量多项任务有助于工程师可以同时获得频响函数,相关性互谱,auto power和时域数据,而无需分别进行单独的试验才能获取数据。模态试验工程团队仅需要三组试验就能够完成Ares的地面共振试验。试验次数的减少将节省大量时间和费用,并且避免了重组和转换不同数据文件时引起的误差。

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试验设备测得的MSFC火箭喷口振动数据用来在LMS Virtual.Lab中建立一个结构动态模型

测试昂贵的物理样机

LMS Test.Lab中的振动监控和控制软件能够精确地调控激振器的激励,并且自动地检测选定通道内的结构相应峰值。这样能够确保振动幅度不会超出地面共振试验项目的预设极值。为了避免对Ares物理样机造成的损伤——样机价值数百万美元——系统具有自动化功能,可以在检测到振动超出范围时自动关闭系统结束试验。整个试验将在不损坏结构或者试验系统的情况下完成。自动化功能在精密仪器检测时提供有效的安全级,如果检测到潜在的结构损伤响应,试验能够安全地自动停止。

试验工程师还可以利用LMS PolyMAX软件来自动标量显示共振频率。PolyMAX软件能够保证数据的一致性,否则会根据不同的数据表示而导致数据的不同。此外,动态的工作变形显示功能还可以显示出结构在各种频率下如何弯曲和扭动,有助于工程师详细了解结构的动态性能。采用这种技术,工程师能够充分利用他们的专业技能以及丰富的工程经验,对最复杂的发射车进行结构试验项目。

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NASA在著名的试验站进行Ares地面共振试验

使用LMS Test.Lab,Ares I整体的发射系统地面共振试验预计于2011年在NASA位于Huntsville的Marshall空间飞行中心进行。一套悬挂系统使得飞行器能够在完全失控的环境下“漂浮”起来。试验场建于1964年,用于Saturn V火箭的振动试验,Saturn V是阿波罗登月计划的一部分。后来,这个试验场还测试了Skylab空间站和飞行器。在随后的微重力试验中,试验场95%的后备力量,现在承接了Ares试验项目的主要部分。试验塔高达360英尺高,并且配有64英尺高的铁架塔,总共高达425英尺。由于其在美国空间项目中的独特位置,试验场已经列入国家级历史纪念地。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (8/22/2012)
LMS仿真与试验解决方案联系方式:
网址: http://www.siemens.com.cn/plm/lms 电话:86--4000920665
地址: 中国·北京·北京市朝阳区望京中环南路7号西门子大厦9层 邮编100101
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