液氧/煤油火箭发动机是新型高空发动机，它是一种无毒、无污染、火药启动的高压补燃发动机。为进行该型号发动机的高空环境模拟试验，需设计加工用于模拟高空环境的试验装置—扩压器。扩压器是大型结构件，结构强度是保证其结构可靠性最重要的指标，因此其强度校核计算是设计中的关键工作。然而，以往对扩压器的强度计算是基于经典材料力学和经验公式，不仅其计算精度难以保证，而且较大的强度裕度也造成了生产成本的提高和吊装难度的增加。本研究利用大型有限元分析软件ANSYS9.0，对扩压器的主要部件—筒体进行静态强度分析，准确地描述出其应力场分布，为扩压器的设计加工提供了可靠的理论依据。
      发动机高空模拟试验中，选用空气泄入式扩压器—在发动机喷管出口处与发动机相配，相对于闭式真空舱加扩压器方案，结构简单，安装方便。该扩压器冷却方式采用了夹层强迫冷却，冷却水流向与燃气方向相反。发动机喷管外径为950mm，考虑到间隙调节、试验过程中产生振动等因素，取扩压器直径d=1300mm，以便于发动机喷管与扩压器的插入对接。扩压器的长度对扩压器的性能有一定影响，一般扩压器的长径比选取大于5较为合适。最终选取长径比为6，扩压器总长7.92m，出口端面超出试车间大门1.4m，既满足试车要求，又保证出口燃气不会对试车台造成影响。扩压器的外形结构见图，扩压器采用与发动机燃气流向相反的冷却水供应方式，因为燃气出口端较进口端温度要高。冷却水进口端由三根DN150水管沿切向与集流环焊接，冷却水进入后形成旋转水流，冷却水流动均匀，扩压器最高点与最低点流量一致。出水口与进水口按角度交错排列，以减小压头损失。扩压器出口端面由于冷却水无法达到，设计中采用外喷淋圆环加以解决。在内筒上均匀布置了108个冷却通道，每条通道截面积相等以保证流速和流量相等。
      ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和藕合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、生物医学等众多领域，并成为这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要平台。一个典型的ANSYS分析过程可分为三个步骤：建立模型，加载并求解;查看分析结果。在有限元分析过程中，第一步是生成能够恰当描述模型几何性质的有限元模型。通常情况下需要首先建立几何模型，然后根据几何模型生成有限元模型。
      扩压器结构形式比较复杂，建立几何模型时若按照实际物体的几何结构来建立，不仅建模难大而且增加了计算量，因此在保证计算精度的前提下有必要对其结构进行简化，以便降低建模难度，节约工作时间。扩压器为大型焊接结构件，由不锈钢板焊接而成，主要包括水管组件、调整环、筒体、吊架、冷却环、集流环和加强筋、环箍和钢带等零部件。其中筒体是我们研究的重点，因此省去一些零部件，如：冷却水进出水管、集流环、冷却环和吊架等，只建立扩压器筒体的几何模型。扩压器筒体为夹层结构，内层为不锈钢筒，外层由槽形撑和焊片焊接构成冷却通道。夹层冷却通道简化为沿圆周上均布的108个柱状通道，扩压器筒体的几何模型见图。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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