1 前言

    本文主要对内部充气，外部充液的金属膜盒进行了动力学特性分析，为火箭动力系统的设计提高必要的参考依据。在文中，主要利用ANSYS软件的流固耦合分析，进行了该金属膜盒的动力学特性分析。

2 问题简介

    金属膜盒内部分别充一定压力的压缩空气，外部分别充一定压力的水压，膜盒的底盘固定，金属膜盒的结构原理图和所处状态见图1。文中主要针对该种状态的膜盒进行动力学特性的求解。

    图1金属膜盒结构原理

3 求解模型的建立

3.1 简化与假设

    在进行充压金属膜盒的动力学特性求解前，首先做如下的假设：

      由于膜盒的机械变形对内部充气压的金属膜盒系统的刚度影响不大，故计算中忽略膜盒本身的机械刚度。

      认为膜盒内气体遵循理想气体状态方程

      认为流体不可压

3.2 问题分析

    由于该金属膜盒结构和所处环境较为复杂，故在建立模型前，对膜盒内部气体和膜盒外部液体的作用进行了简单分析，以进行模型的最终建立。

    金属膜盒气体对膜盒系统的刚度影响很大，由此密闭气体将对膜盒的固有频率产生较大的影响，但是当外部液压加在膜盒上时，密闭气体的刚度将随膜盒容积的变化而变化，它在容积变化中显示出的非线性刚度是不能够为动力学特性求解所包括的。模态分析是线性系统的特征量，如果一个非线性系统可以以某种方式进行线性化，所得到的线性化系统的模态参数能代表非线性系统的某些重要特征，那么，这种模态分析还是有意义的，假设在压力平衡后膜盒内部气体的容积不发生变化，故可以用该压力点处的气体等效切线刚度进行求解。具体等效刚度的求解在本文中不予介绍。

    膜盒外部的液体在计算充压膜盒的动力学特性中主要起液阻的作用，当充液膜盒振动时必将诱导周围流体的运动，而流体对膜盒结构的反作用又施加到结构表面，影响膜盒的振动特性。所以膜盒的动力学特性求解问题是一个实际中需要加以解决的流固耦合问题。在ANSYS的流固耦合场分析问题上有两种方法可供选择：序贯耦合方法和直接耦合方法。由于序贯法需要多次重启动反复计算流体场的荷载，而模态分析无法进行重启动且不能够包括不断变化的外载荷的作用，另外文中只考虑了流体的静压作用，所以采用直接法进行求解。具体可以通过施加FSI标记子而将流体的压力和固体的变形直接联系起来进行求解。另外在ANSYS中可以进行考虑流固耦合的模态求解。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 三维几何模型的建立

    虽然膜盒本身具有对称性，但考虑到蓄压器的模态中包含非对称模态，所以模型采用三维实体模型。首先分别对金属膜盒的膜片组、上盖、外筒和膜盒周围的液体以及膜盒上部的特定高度液体（通道到上盖间的那部分液体）进行几何模型的建立，建立的几何模型的截面见图2。