固体火箭发动机对接装配密封圈应力在线预测方法_张家川.pdf

第 46 卷第 2 期固 体 火 箭 技 术Journal of Solid ocket TechnologyVol46 No2 2023固体火箭发动机对接装配密封圈应力在线预测方法张家川1，2，3，徐志刚2，3，王军义2，3*，杨啸2，3，王元钰1，2，3，侯赓舜1，2，3，董祺成1，2，3(1沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳110136;2中国科学院 沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，沈阳110016;3中国科学院 机器人与智能制造创新研究院，沈阳110169)摘要:在固体火箭发动机燃烧室和喷管对接装配过程中，为准确实时预测密封圈应力，以确保发动机的装配质量，提出了一种基于 Kriging 模型的密封圈对接装配应力预测方法。首先，分析装配工况，利用有限元分析方法计算出多种工况下密封圈的应力-应变;其次，使用生成对抗网络的方法扩大数据样本空间;之后，利用拉丁超立方抽样法选取一定数量的应力-应变数据构建 Kriging 模型;最后，根据定义的加点准则迭代优化 Kriging 模型，实现主动学习，由此得到密封圈应力预测的数字孪生模型。装配时，通过六自由度并联平台的力位传感器实时采集的信号数据，作为数字孪生预测模型的输入;通过实时读取模型输出，实现对接过程中的装配质量实时在线预测反馈。关键词:固体火箭发动机;数字孪生;发动机装配测;量密封圈;Kriging 模型;应力预测;主动学习中图分类号:V435文献标识码:A文章编号:1006-2793(2023)02-0287-10DOI:107673/jissn1006-2793202302013Online stress prediction method for sealing ringduring SM docking assemblyZHANG Jiachuan1，2，3，XU Zhigang2，3，WANG Junyi2，3*，YANG Xiao2，3，WANG Yuanyu1，2，3，HOU Gengshun1，2，3，DONG Qicheng1，2，3(1School of Mechatronics Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang110136，China;2State Key Laboratory of obotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Science，Shenyang110016，China;3Institutes for obotics and Intelligent Manufacturing，Chinese Academy of Science，Shenyang110169，China)Abstract:In order to accurately predict the stress of sealing ring during the docking assembly of a SM chamber and nozzle inreal time and also ensure the assembly quality，a prediction method for docking assembly stress of SM sealing ring based on Krigingmodel was proposedFirstly，the stress and strain of the sealing ring under various working conditions were calculated by means ofFEASecondly，the method of generating adversarial networks was used to expand the data sample spaceThen，a certain number ofstress-strain data were selected by Latin hypercube sampling method(LHS)to construct Kriging modelFinally，the Kriging modelwas iteratively optimized according to the defined adding point criterion to realize active learning，and the digital twin model of sealring stress prediction was obtainedThe signal data collected in real time by the force and position sensor of the six-degree-of-free-dom parallel platform during assembly was used as the input of the digital twin prediction modelBy reading model output，the real-time online predictive feedback of assembly quality in docking process was realizedKey words:solid rocket motor;digital twin;motor assembly and measurement;sealing ring;Kriging model;stress prediction;active learning782收稿日期:2022-05-13;修回日期:2022-11-10。基金项目:中央引导地方科技发展基金(2022JH6/100100014)。作者简介:张家川，男，硕士生，研究方向为数字孪生。通讯作者:王军义，男，研究员，研究方向为数字孪生、智能装配。0引言固体火箭发动机的密封圈位于燃烧室与喷管接口的密封槽及止口处，通过燃烧室与喷管的对接安装，使密封圈产生挤压变形，达到密封目的。密封圈作为发动机贮存过程中的薄弱环节和极少数的可更换部件，密封结构的寿命是确定发动机首翻期的主要因素之一12。在安装“O”形橡胶密封圈时，橡胶圈的接触应力不足而导致密封失效，但等效应力过大将造成表面裂纹，引发深层次的破裂3，从而导致发动机在贮存过程中密封提前失效。而大型薄壁燃烧室壳体的结构决定其刚性较差、抵抗变形能力弱、屈强比大，装配过程中受重力影响，壳体及接口会产生明显变形4，并且因存在加工误差，同样会使燃烧室与喷管的多层台阶接口产生复杂不规则变形。另外，由于在对接过程中密封圈状态不可见、不可测，装配位姿可能时刻变化调整。在这些复杂的装配条件下，如何检测装配质量成为一大难题。为解决此类问题，一般采用对装配过程进行有限元仿真的方法，但有限元仿真速度慢，计算量大，仿真周期长，无法达到快速获取装配质量的目的。而代理模型则可以解决此类问题，前期进行一定数量的仿真计算获取样本数据集，通过样本数据集建立装配状态与密封圈应力-应变之间关系的代理模型，后期装配过程中即可利用代理模型快速预测密封圈的应力-应变，为装配质量是否达标提供参考依据。对于产品的在线预测如健康、状态与寿命预测，可分为基于机理模型、基于知识和基于数据驱动三类5:基于知识的预测方法主要是凭借检测数据与历史数据进行对比，或通过历史数据等建立专家知识库来实现预测6;基于机理模型的预测方法主要依靠对失效机理建立数学模型，分析失效形式，并依靠数学模型推导出产品的失效概率密度函数或可靠度-时间函数等79;基于数据驱动的预测方法则是利用机器学习方法或数据统计方法对设计、检测、试验等数据进行分析，进而建立出预测模型10。对于代理模型的选取，一般选用神经网络、多项式响应面、径向基函数等方法1112，各种预测方法面对不同情况时各有优劣，在设计范围不可缩减的情形下，多项式响应面法不适用于强非线性和高维模型，神经网络预测方法可以弥补多项式响应面法的缺点，但需耗费大量的运算时间13。Kriging 模型在样本数据空间较小的情况下能光滑拟合出原目标函数，可以保证预测模型的精度，并且运算时间相对较短14。本文采用 Kriging 模型作为密封圈应力的预测模型进行研究。使用有限元软件仿真计算出不同装配条件参数下密封圈的应力-应变，并由此构建预测模型的样本集，对样本集数据进行扩充及抽样处理，将处理后的数据构建 Kriging 预测模型，进而利用代理模型对固体发动机的装配质量给出判断。1预测模型样本集的建立11确定装配条件参数不同的装配条件会造成密封圈不同的应力分布。确定装配条件参数即确定预测模型的输入项，即确定影响密封圈应力-应变大小的因素。将影响密封圈应力大小的参数归纳为两类:一是装配过程中的装配位姿;二是燃烧室或喷管本身因制造偏差和受装配力的影响而造成的接口处不规则形变。空间中位姿存在六个自由度，分别是右手笛卡尔坐标系中沿三个坐标轴方向的平移，以及绕三个坐标轴的旋转，即翻滚、俯仰、偏航。由于对接过程中所产生的翻滚动作很小，所以只将空间位姿简化为角度变化及偏移变化。考虑到密封接口处为完全轴对称结构，因此对于接口处的不规则形变，将其简化为沿圆形接口法线方向上的跳动，假设接口处形状变化连续，呈椭圆状，那么可用接口的椭圆度大小来表示形变对密封圈应力-应变造成的影响。图 1 简要示意了内插式结构在装配时的主要装配条件参数，其剖面视图表达了插入件的径向变形。图 1装配条件参数示意图Fig1Assembly condition parameters三个装配条件参数中，d 为燃烧室轴线与喷管轴线间的偏心距，分为 dy和 dz;为轴倾角，即燃烧室轴线与喷管轴线之间的夹角，分为 y和 z;e 为变形后接口的相对椭圆度，其表达式如下:e=(dzn dyn)(dzc dyc)(1)式中dzn、dyn分别为喷管接口处 z 向和 y 向上的直径大小;dzc、dyc分别为燃烧室接口处 z 向和 y 向上的直径大小。12密封圈应力有限元分析密封圈的材料为橡胶。橡胶材料是一种分子构成较复杂的高分子材料，是由多个重复单元链接而成的8822023 年 4 月固体火箭技术第 46 卷长链分子，属于非线性、超弹性材料15。橡胶本构关系的研究较多地采用唯象理论描述其应力-应变关系，唯象理论假定橡胶在未变形状态下是各向同性的，并认为橡胶是不可压缩材料16，而对于超弹性材料的本构关系模型一般有 Mooney-ivlin 模型、Yeoh 模型和Ogden 模型等17。对于 150%以内的小应变而言，Mooney-ivlin 模型可得到合理的近似，而 Yeoh 模型更适合大变形行为18。对于橡胶的 2 参数 Mooney-iv-lin 模型应变能密度函数如下:W=C10(I1 3)+C01(I2 3)+1D1(J 1)2(2)I1=21+22+23(3)I2=(12)2+(23)2+(31)2(4)i=1+i(i=1，2，3)(5)式中W 为应变能密度;C10和 C01是 ivlin 系数;I1和I2分别为材料的第 1、2 阶 Green 应变张量不变量;D1为材料的不可压缩率;J 为体积比，对于不可压缩材料J=1;i为 3 个方向上的主伸长率;i为材料的应变。密封圈的橡胶材料参数如表 1，其应力-应变曲线见图 2。在确定了密封圈材料参数后，对发动机对接的过程进行有限元仿真，绘制燃烧室、喷管、密封圈的三维模型，为了缩短仿真周期，将模型进行简化:由于装配时燃烧室由吊装与支架完全固定，喷管由六自由度并联平台固定，对接过程中喷管扩张段及矢量组件等对密封圈受力的影响较小，所以对于喷管组件只保留喷管接口处以及喷管喉部的部分;对于燃烧室，由于薄壁燃烧室更易受重力影响，所以将工装支架定位位置到燃烧室接口的部分进行保留。在设计域内均匀