复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法

本发明涉及航天动力系统仿真的相关，特别是复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法。

背景技术：

1、管路作为发动机动力单元系统的关键部件，其核心作用是实现燃料的输送。由于在火箭发射过程中，管路系统处于复杂的流固热多物理场耦合工况环境中，会受到液体燃料的流动及发动机振动的影响。

2、传统的发动机管路疲劳失效分析多采用单物理场分析方法，忽略了流体场、温度场以及结构场之间的耦合效应，未考虑流体压力、温度等对管路结构刚度的影响。针对现有问题，本专利提出复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，该方法综合考虑了发动机管路工作时的流固热耦合效应，适用于复杂工况环境，为发动机管路的振动特性分析和结构优化设计提供参考。

技术实现思路

1、本发明的目的是通过建立发动机管路多物理场耦合模型，并模拟管路实际工作状态，实现发动机管路在复杂工况下的振动特性分析，故提出复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法。

2、复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，所述发明方法包括以下内容：

3、复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于，所述方法主要包括以下步骤：s1复杂管路系统基础模型；s5复杂管路系统温度场与压力场分析；s10复杂管路系统结构分析；s16复杂管路系统谐响应分析；s21复杂管路系统疲劳寿命分析。

4、根据权利要求1所述的复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于：s1中，涉及管路系统基础模型构建，为满足不同类型发动机管路结构的工况需求，采集管路结构参数、燃料流体介质参数及温度环境参数等，以建立包含流体场、温度场、结构场的参数化模型。

5、在s2、s3、s4中，构建与实际管路结构相匹配的流体计算域，通过布尔运算对结构区域进行划分，构建与管路公称直径、壁厚、弯曲角度等结构特征相一致的流体域；对管路流体域的关键边界进行标准化命名，如入口、出口、壁面等；针对管路结构，采用适配的网格划分算法，并对高梯度区域进行局部网格加密，提升局部区域的单元密度。

6、根据权利要求1所述的复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于：s5中，涉及管路系统温度场与压力场分析，选择适配管路流动特性的湍流模型，对管路入口界面设置边界条件，对管路系统开展流场数值仿真，得到管路系统全域温度场、压力场分布，并提取流体温度、压力载荷数据。

7、在s6、s7中，选择的湍流模型与管路内流体流动状态相匹配，定义流体密度、粘度等参数，并基于管路的工作温度状态进行动态拟合；定义流体域入口界面的工作压力、温度等边界条件，以及出口界面处的边界条件。

8、在s8、s9中，涉及发动机管路流体场与温度场仿真，模拟流体在管路内的流动状态，如湍流漩涡、弯管处速度突变等，同时求解流体场与温度场，实现协同计算分析；以此得到管路的压力分布、温度分布等数据，作为后续结构分析的输入载荷。

9、根据权利要求1所述的复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于：s10中，涉及管路系统结构分析，将温度、压力载荷数据导入计算模型，构建流体-结构耦合模型，开展管路变形、应力等结构强度分析，以及管路静模态、预应力模态分析，评估管路系统共振风险。

10、在s11、s12中，涉及发动机管路结构仿真，将管路压力、温度等数据作为载荷输入管路结构分析模型，计算管路在流体压力、温度等共同作用下的变形、应力分布，识别应力集中区域，评估管路是否满足强度要求。

11、在s13、s14、s15中，求解管路在工作载荷（压力、温度）作用下的预应力模态固有频率及模态振型，以及求解管路在无工作载荷时的静模态固有频率及模态振型；将s13与s14的结果进行对比，分析工作载荷对管路振动特性的影响机制；对比外部激励源的振动频谱和管路的固有频率，评估发动机管路的共振风险，避免结构共振引发的瞬时失效或疲劳破坏。

12、根据权利要求1所述的复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于：s16中，涉及管路系统谐响应分析，对管路系统施加周期性简谐激励，设定扫频范围及阻尼系数，采用模态叠加算法开展频域数值求解，获取位移、应力等物理量随激励频率变化的频响函数，表征管路系统在简谐激励作用下的动态响应特征。

13、在s17、s18、s19、s20中，对复杂管路系统施加周期性简谐激励，根据实际工况，设定扫频范围及阻尼系数，采用模态叠加算法，获取位移、应力等物理量随激励频率变化的频响曲线，得到管路系统的频率响应函数与有限元仿真结果。

14、根据权利要求1所述的复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于：s21中，涉及复杂管路系统疲劳寿命分析，结合材料疲劳性能参数，并引入随机振动激励功率谱密度载荷条件，求解得到应力响应功率谱密度，对管路系统关键位置进行疲劳损伤与失效分析。

15、对复杂管路开展疲劳失效分析，将前述谐响应分析的有限元仿真结果作为疲劳失效分析的输入数据。在s22中，选取零件材料所对应的疲劳性能参数，所述疲劳性能参数包括材料s-n曲线、疲劳强度修正系数等。在s23中，输入实际工况下的随机振动激励功率谱密度，模拟管路实际的随机振动载荷环境。随后的s24、s25中，结合前述的频响函数，获得不同位置的应力响应功率谱密度，识别管路疲劳损伤累积危险区域。

16、对发动机复杂管路系统模拟结果进行系统性分析，其核心价值在于复杂管路系统多物理场协同疲劳分析技术，为发动机管路的振动特性分析和结构优化设计提供方法参考。

1.复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于，所述方法主要包括以下步骤：s1复杂管路系统基础模型；s5复杂管路系统温度场与压力场分析；s10复杂管路系统结构分析；s16复杂管路系统谐响应分析；s21复杂管路系统疲劳寿命分析。

2.根据权利要求1所述的复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于：s1中，涉及管路系统基础模型构建，为满足不同类型发动机管路结构的工况需求，采集管路结构参数、燃料流体介质参数及温度环境参数等，以建立包含流体场、温度场、结构场的参数化模型。

3.根据权利要求1所述的复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于：s5中，涉及管路系统温度场与压力场分析，选择适配管路流动特性的湍流模型，对管路入口界面设置边界条件，对管路系统开展流场数值仿真，得到管路系统全域温度场、压力场分布，并提取流体温度、压力载荷数据。

4.根据权利要求1所述的复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于：s10中，涉及管路系统结构分析，将温度、压力载荷数据导入计算模型，构建流体-结构耦合模型，开展管路变形、应力等结构强度分析，以及管路静模态、预应力模态分析，评估管路系统共振风险。

5.根据权利要求1所述的复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于：s16中，涉及管路系统谐响应分析，对管路系统施加周期性简谐激励，设定扫频范围及阻尼系数，采用模态叠加算法开展频域数值求解，获取位移、应力等物理量随激励频率变化的频响函数，表征管路系统在简谐激励作用下的动态响应特征。

6.根据权利要求1所述的复杂管路系统多物理场协同疲劳分析方法，其特征在于：s16中，涉及复杂管路系统疲劳寿命分析，结合材料疲劳性能参数，并引入随机振动激励功率谱密度载荷条件，求解得到应力响应功率谱密度，对管路系统关键位置进行疲劳损伤与失效分析。