一种基于分工况设计的补偿器验证方法

摘要

本发明公开了一种基于分工况设计的补偿器验证方法，首先确定补偿器每个工况下的绝对补偿量；第i个工况的最大绝对补偿量是第i-1个工况的最大绝对补偿量加上第i个工况的最大设计补偿量,第i个工况的最小绝对补偿量是第i-1个工况的最小绝对补偿量加上第i个工况的最小设计补偿量;然后根据绝对补偿量、工作压力、补偿器的结构参数和补偿器材料的力学指标，计算补偿器的失稳压力、强度校核值和疲劳寿命计算值；最后根据各个工况的疲劳寿命设计要求值，和各个工况下的疲劳寿命计算值计算损伤因子；根据损伤因子判断补偿器设计是否满足要求，如果满足要求，则进行疲劳试验。本发明方法实施简便、适用性强、准确度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于分工况设计的补偿器验证方法。

背景技术

如图1所示，补偿器一般由波纹管1和接头2组成。补偿器验证主要是验 证波纹管的结构参数是否满足各种工况要求。

相比较在役型号，在研的新型运载器贮箱更大，增压输送系统管路系统也 更长和更复杂，因此对承担管系工作补偿和温度补偿作用的补偿器设计提出了 更高的要求。相应地，采用原有包络叠加各个工况的方法所确定的设计指标， 很多时候都不能设计出满足实际生产工艺要求的补偿器。补偿器试验主要包括 耐压、屈曲、疲劳等项目。以往进行的补偿器验证试验都是在单工况条件下进 行。单一工况验证指的是对同一件产品的同一类试验中，工作压力不变，温区 不变，补偿量不变。分工况设计由于按照补偿器在工作周期中所处的不同工作 条件开展设计，同样也要求试验方法脱离以往的单一工况验证，而是进行多工 况的验证。因此，需要开发一种切实可行的多工况验证方法，以对依据分工况 设计的补偿器开展验证性试验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种简单的、适合实际应用的基于分 工况设计的补偿器验证方法。

本发明包括如下技术方案：

一种基于分工况设计的补偿器验证方法，所述补偿器先后经历K个工况， 每个工况都有该工况对应的设计补偿量、疲劳寿命设计要求值、工作压力和工 作温度，所述设计补偿量包括最小设计补偿量和最大设计补偿量，包括如下步 骤：

（1）确定补偿器每个工况下的绝对补偿量

所述绝对补偿量包括最大绝对补偿量和最小绝对补偿量，第一个工况的绝 对补偿量是该工况的设计补偿量，第i个工况的最大绝对补偿量是第i-1个工 况的最大绝对补偿量加上第i个工况的最大设计补偿量,第i个工况的最小绝对 补偿量是第i-1个工况的最小绝对补偿量加上第i个工况的最小设计补偿量， i=2至K;

（2）在每个工况下，根据绝对补偿量、工作压力、补偿器的结构参数和补 偿器的材料力学材料，计算补偿器的失稳压力、强度校核值和疲劳寿命计算值；

（3）在每个工况下，判断补偿器的失稳压力、强度是否满足要求，

当所有工况都满足要求时，则记录补偿器在各个工况下的疲劳寿命计算值， 并转入步骤（4）；

否则，调整补偿器的结构参数，然后转入步骤（2）；

（4）判断补偿器的疲劳寿命是否满足要求，

若各个工况的疲劳寿命设计要求值分别为N₁、N₂、N₃……N_K，各个工况 下的疲劳寿命计算值分别为n₁、n₂、n₃……n_K，则损伤因子 $D=\frac{n_1}{N_1}+\frac{n_2}{N_2}+\frac{n_3}{N_3}+...\frac{n_K}{N_K};$

当D<1时，补偿器设计满足要求，转入步骤（5）；

否则，调整补偿器的结构参数，然后转入步骤（2）。

（5）在每个工况下对补偿器进行疲劳试验，判断补偿器是否满足疲劳性能 要求；

在每个工况下对补偿器进行疲劳试验的过程如下：将补偿器一端固定，另 一端以自由长度为起点进行拉伸或压缩，对补偿器施加该工况下的工作温度， 在补偿器内部施加该工况对应的工作压力，按照该工况下的最大绝对补偿量和 最小绝对补偿量对补偿器进行拉伸或者压缩；拉伸或者压缩的次数为该工况下 的疲劳寿命设计要求值的4倍；当补偿器没有出现泄露时，认为补偿器满足疲 劳性能要求。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明方法实施较为简便，测试覆盖性强，是一种适合实际应用的运载火 箭补偿器验证方法。按照分工况开展补偿器疲劳试验设计的补偿器的验证方法 一直是一个难题。由于不同工况下的温度、压力、补偿量等外部因素都不同， 补偿器若按照工况顺序和相应疲劳寿命依次循环开展疲劳试验，则需要多次循 环环境加载，不仅增加试验成本而且严重影响试验进度。因此相对简便的方法 是对每种工况只进行一次环境加载，然而此方法又不能将单个试验工况的试验 次数设置得过高，避免产品过考核发生失效。本发明所涉及的疲劳试验方法充 分考虑试验本身和分工况设计的补偿器特点，在保证全面验证设计指标的基础 上，合理合并或细化试验条件，保证试验数据对设计工作的准确反映。

附图说明

图1为补偿器结构示意图；

图2为本发明的基于分工况设计的补偿器验证方法流程图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

补偿器先后经历K个工况，每个工况都有该工况对应的设计补偿量、疲劳 寿命设计要求值、工作压力和工作温度，所述设计补偿量包括最小设计补偿量 和最大设计补偿量，如图2所示，本发明的一种基于分工况设计的补偿器验证 方法，包括如下步骤：

（1）确定补偿器每个工况下的绝对补偿量

所述绝对补偿量包括最大绝对补偿量和最小绝对补偿量，第一个工况的绝 对补偿量是该工况的设计补偿量，第i个工况的最大绝对补偿量是第i-1个工 况的最大绝对补偿量加上第i个工况的最大设计补偿量,第i个工况的最小绝对 补偿量是第i-1个工况的最小绝对补偿量加上第i个工况的最小设计补偿量， i=2至K。设计补偿量和绝对补偿量包括轴向、径向和角度补偿量。

（2）在每个工况下，根据绝对补偿量、工作压力、补偿器的结构参数和补 偿器材料的力学指标，计算补偿器的失稳压力、强度校核值和疲劳寿命计算值； 具体计算方法是现有技术，可以参见GB/T12777-2008金属波纹管膨胀节通用技 术条件。补偿器的失稳压力包括柱失稳压力和面失稳压力。所述强度校核值包 括压力引起的波纹管直边段周向薄膜应力σ₁，压力引起的波纹管周向薄膜应力 σ₂，压力引起的波纹管子午向薄膜应力σ₃和压力引起的波纹管子午向弯曲应力 σ₄。

（3）在每个工况下，判断补偿器的失稳压力、强度是否满足要求。

当柱失稳压力≥工作压力，面失稳压力≥工作压力时，补偿器的失稳压力满 足要求。

当σ₁≤σ_b，σ₂≤σ_b，σ₃+σ₄≤1.5×σ_b时，补偿器的强度满足要求。

当所有工况都满足要求时，则记录补偿器在各个工况下的疲劳寿命计算值， 并转入步骤（4）；

否则，调整补偿器的结构参数，然后转入步骤（2）；

（4）判断补偿器的疲劳寿命是否满足要求，

若各个工况的疲劳寿命设计要求值分别为N₁、N₂、N₃……N_K，各个工况 下的疲劳寿命计算值分别为n₁、n₂、n₃……n_K，则损伤因子 $D=\frac{n_1}{N_1}+\frac{n_2}{N_2}+\frac{n_3}{N_3}+...\frac{n_K}{N_K};$

当D<1时，补偿器设计满足要求，结束；

否则，调整补偿器的结构参数，然后转入步骤（2）。

补偿器的结构参数包括外径、直边外径、波距、波高、层数和层厚，材料 力学参数包括弹性模量、屈服强度和抗拉强度。

（5）在每个工况下对补偿器进行疲劳试验，判断补偿器是否满足疲劳性能 要求；

在每个工况下对补偿器进行疲劳试验的过程如下：将补偿器一端固定，另 一端以自由长度为起点进行拉伸或压缩，对补偿器施加该工况下的工作温度， 在补偿器内部施加该工况对应的工作压力，按照该工况下的最大绝对补偿量和 最小绝对补偿量对补偿器进行拉伸或者压缩；拉伸或者压缩的次数（该工况下 疲劳试验的次数）为该工况下的疲劳寿命设计要求值的4倍；当补偿器没有出 现泄露时，认为补偿器满足疲劳性能要求。

疲劳测试工作的目的在于测试补偿器在规定的使用工况下完成规定补偿功 能的能力，其需要对补偿器施加温度、压力和位移。由于不同工况三个变化因 素相差较大，因此采用分工况测试并增加安全系数的方法。每个工况需进行的 疲劳试验次数为其设计寿命的4倍，即4N₁、4N₂，4N_K。补偿器顺序经历K个 环境考核后认为满足疲劳性能要求。

实施例

下面以补偿器先后经历装配、测试、加注、射前、飞行五个工况为例，对 本发明的验证方法进行介绍，该实施例中补偿器最初的结构参数为：外径φ 100mm，直边外径φ80mm，波距10mm，波数10个，层数2层，层厚0.3mm；波 纹管材料1Cr18Ni9Ti，该材料的力学指标如表1所示。本实施例中，各个工况 的已知量和计算值如表2所示，通过采用本发明的验证方法，验证该补偿器设 计满足要求。

表11Cr18Ni9Ti的力学指标

  屈服强度（MPa） 抗拉强度（MPa） 弹性模量（GPa） 80K 380 1625 214 常温 205 520 198 500K 135 460 173

表2各个工况对应的已知量和计算结果

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。