تخمين عمر خستگي يك سازه تراست استند تحت اثر ارتعاشات اتفاقي موتورهاي سوخت جامد

Estimation of Thrust Stand Structure Fatigue Life Under Solid Motors Random Vibrations Effects

به منظور سنجش دقت عملكرد موتور موشك ها و راكت ها آن‌ها را در دستگاهي به نام تستر(تراست استند) آزمايش مي‌كنند. در اين مقاله، شيوه اي جهت محاسبه ي اثرات ارتعاشات اتفاقي موتورهاي سوخت جامد بر روي سازه ي تستر ارايه شده است. در ابتدا نمودارهاي PSD، سه نوع موتور سوخت جامد با استفاده از اطلاعات تراست-زمان آن‌ها توسط نرم افزار MATLAB محاسبه شده است.سپس سازه ي استندي كه بر اساس اصول ديناميكي خاصي طراحي شده، در Solidworks مدلسازي و به نرم افزار ANSYS ، انتقال داده شده است. در ANSYS سازه آناليز مودال شده و سپس تحليل طيفي صورت گرفته است. PSD هر موتور جداگانه بر سازه اعمال شده و تنش حداكثر بدست آمده است. آن گاه توسط رابطه اي كه از تركيب منحني توزيع احتمال گوس و رابطه ي ماينر استخراج شده، عمر خستگي سازه تخمين زده شده است. مقادير PSD در فركانس‌هاي اوليه ي سازه، تاثير زيادي در مقدار عمر خستگي سازه دارد و بر اساس حداكثر نيروي تراست موتور، نمي توان در مورد اثرات ارتعاشي آن اظهار نظر كرد.

Successful development, evaluation, and qualification of propulsion systems such as turbojet and turbofan engines and rocket motors require the measurement of the performance and reliability of these systems. Thrust stands or testers are instruments for solid and liquid motors test. In this paper, a method for calculation of solid motors random vibrations effects on a thrust stand structure is developed. At first some Power Spectral Density (PSD) of three kinds of solid motors has been calculated by MATLAB codes. Then a typical thrust stand which has been designed based on special dynamics principles, has been modeled in Solidworks and transferred to ANSYS. In ANSYS, the modal and spectral analysis of the structure has been done. Then each motorʹs PSD has been applied on structure separately and maximum stress has been determined by ANSYS codes. Followed by structure fatigue life has been estimated by a formula derived from compound of Minerʹs cumulative fatigue damage ratio equation and Gaussian distribution curve. The results show that the amount of PSD at first frequencies has significant effect on structure fatigue life and it is not possible to reach to a conclusion about the vibrations effect, just based on maximum motor thrust.