贮箱多余物微激振清理机理与仿真分析

郭永博， 王洪涛， 尹玉环， 吴增辉， 刘志川， 杜云龙， 高 晗

(1.哈尔滨工业大学机电工程学院， 哈尔滨 150001； 2.上海航天设备制造总厂有限公司， 上海 200245；3.首都航天机械有限公司，北京 100076)

1 引言

运载火箭贮箱在生产制造和装配的过程中，不可避免地会产生各种残屑多余物，多余物的存在可能引起产品电气系统短路、装置损伤、管路阻塞等严重故障，甚至会导致发射任务的失败，所以必须对贮箱内多余物进行有效地控制。 目前，国内传统的清洗方法是采用人工敲击的方式，清洗效率低下。 近年来，出现了多种高效的自动化清洗方案，主要有高压水射流、气液混合清洗以及超声清洗等。

高压水射流清洗是利用高压泵输出高压流体介质，并经过一定的管路喷嘴，形成具备冲击动能的高压力高流速的射流，连续不断地作用在被清洗表面，从而使多余物脱落，最终实现清洗的目的。 对于大型回转结构的贮箱，可以采用一种立式的多余物自动清理系统，在清理系统末端安装高压水射流喷嘴，利用高压水射流的冲刷，使多余物脱落下来，但对于大型贮箱内部结构较为复杂，存在大量管路、防晃板等其他设备，高压水射流清洗机构展开困难，造成清洗不便。

气液混合清理贮箱壳体系统采用高压泵组将气体和液体加速到音速以上，形成超音速气液混合流，利用其冲刷贮箱壳体内壁表面，将多余物带走。 与高压水射流相比，气液混合清理具有更少的水消耗量，节省水资源。 同时具有更小的冲击压力，在保证不磨损贮箱壳体表面形貌的前提下，可以通过冲击去除溶解性颗粒。 气压混合清理系统的运动部件较少，操作便捷，适用于航天贮箱壳体中的一些细长管道的清洗。 但是气液混合清洗需要一定压力、流量的压缩空气，清洗过程中会产生高强度噪声等问题。

超声清洗是一种新型的多余物清理方式，利用箱体与多余物的弹性系数不同，进而在振动过程中产生的形变位移不同，多余物形成疲劳、裂纹、疏松而脱落，达到清理的目的。 超声清洗可大大提高清洁度，清洗快、效率高，适合清洗易碎物品或者结构复杂，具有狭小缝隙、孔洞的部件，超声清洗对于一些结构复杂的部件，清洗效果十分明显。

在分析上述各种清洗方法的优缺点、应用情况的基础上，同时考虑到本文研究的贮箱壳体的密闭性，内部具有复杂的结构，本文设计一种压接于壳体外表面的微激振清理方案，不受清洗件内部表面复杂形状的限制，如贮箱内壁表面的环肋、凹槽、夹缝和深孔、微孔等，以取代传统人工敲击的方式，实现高效自动化清洗。

2 仿真模型的搭建

清理方案采用微激振器与翻转台配合的方式，实现贮箱壳体多角度的清洗，提高了清洗效率。 贮箱多余物微激振清理系统模型如图1 所示，主要由翻转台、微激振器阵列和贮箱3 个模块组成。 翻转台上装有可以实现贮箱圆周方向滚转的伺服电机和可以实现微激振器阵列轴向移动的运动导轨；贮箱采取两端固定的方式安装在翻转台上，同时向贮箱里面注入适量的水，用于多余物的激振清理；微激振阵列安装在翻转台的轴向运动导轨上，在每个微激振器上安装可以实现径向移动的驱动装置，实现微激振器在贮箱壳体表面的压接。 在多余物清理过程中，通过中央控制系统完成微激振器阵列和翻转台不同位置的切换。 首先，调整微激振器的径向位置，完成与贮箱表面的脱离；其次通过轴向移动导轨实现贮箱整个轴向的清洗；最后，通过圆周翻转实现贮箱整个外圆表面的清洗，实现微激振器与翻转台的配合，从而提高贮箱的清洗效率。

图1 翻转台清理系统Fig.1 Turnover table cleaning system

微激振器主要由换能器和变幅杆两部分组成，换能器通过压电效应将电信号转换为机械振动，变幅杆遵循能量守恒理论对机械振动信号进行位移放大，并将该机械振动作用在工具头上，同时向介质中辐射声波。 为适用于贮箱壳体清理所需振幅较大的情形，同时保证稳定的振幅输出，换能器设计为夹心式结构，变幅杆选用放大倍数较大的阶梯形结构。 工具头将超频振动作用到贮箱表面，引起局部高频振动，超声波通过固体材料传到内部清洗液中，激发空化效应和剪切效应，这2 种效应是实现贮箱多余物超声清理的重要机制。

为揭示微激振清理下的贮箱多余物脱落机理，完成对微激振器结构参数的数值研究，本文借助微激振多余物清理系统的建模，分析剪切效应和空化效应作用下的2 种动力学模型。 微激振器作用下贮箱剪切效应的研究属于动力学问题，微激振装置输出高频超声振荡，属于波的传播问题，因此适用于采用显示动力学的分析方法。 为对复杂的动力学模型进行参数分析，得到其等效剪切应力，采用ANSYS LS-DYNA 模块进行有限元(Finite Element Method， FEM)仿真；为进行贮箱内部声场的研究，可以采用有限元分析软件COMSOL Multiphysics，该分析软件可以进行多物理场耦合的建模仿真研究，适用于基于空化效应下的声场研究。

贮箱多余物微激振清理系统模型如图2 所示，该模型系统包括激振器工具头和贮箱壳体。其中，微激振器工具头的材料为45 钢，接触面大小为10 cm×5 cm；贮箱内壁及其上加强筋的材料为铝合金，贮箱直径设为2900 mm，壁厚5 mm，长3000 mm，贮箱内壁的加强筋宽50 mm，厚10 mm，点焊或铆接在贮箱内壁上。 材料属性如表1 所示，2A14 铝合金力学性能参数如表2 所示。

图2 贮箱多余物微激振清理几何模型Fig.2 Geometric model of micro-vibration cleaning of the tank remainder

表1 各材料属性Table 1 Material properties

表2 2A14 铝合金力学性能参数Table 2 Mechanical properties of aluminum alloy

2.1 贮箱多余物微激振清理剪切模型

剪切效应是指超声振子多余物清理装置发出超声波脉冲振荡高弹性波在箱体传播时，箱体内壁多余物跟随箱体同步振动，由于箱体与多余物的弹性系数不同，产生形变位移不同，超声波的吸收和传播速度不同，导致在界面处产生速度差，形成剪切力，使得多余物脱落，达到清理多余物的目的。 在超声激振清洗中，剪切效应起着主要的作用。

考虑到贮箱的清理模型是对称分布，可进行简化分析，如图3 所示，创建了1/4 的贮箱有限元仿真模型。 贮箱两端固定在翻转台上，对模型中贮箱内壁两侧施加固定约束，在仿真设置中加入对称边界条件；贮箱内流体压力和重力作用在贮箱内壁上，如图4 所示。

图3 1/4 贮箱有限元仿真模型Fig.3 1/4 FEM simulation model of the tank

图4 贮箱内壁施加流体压力Fig.4 Fluid pressure applied to the inner wall of the tank

贮箱与工具头的连接位置施加正弦变位移时间载荷，模拟激振器工具头发出的超声波传播。图5 显示了振动位移随时间的变化曲线(工具头的输出振幅为0.05 mm，频率为20 kHz)。

图5 工具头的输出波形Fig.5 Output waveform of the tool head

在网格划分模块中，选择Multizone(多区)网格划分，此方法能将目标区域自动分解成多个可以扫掠或是自由划分的区域，再生成高质量的网格。 为了得到更加精确的结果，对于工具头作用的部分进行局部加密，距离工具头越近，网格设置越密，网格划分如图6 所示。

图6 贮箱有限元网格划分Fig.6 FEM meshing of the tank

为了充分模拟超声振动在贮箱壳体中的传播情况，仿真时间为0.005 s(100 个周期)。 在时间上等距的设置200 个采集点，保证足够的数据点进行后续处理。

2.2 贮箱多余物微激振清理空化模型

空化效应是指当液体中有声波传播时，会产生空化气泡脉动和破裂的现象，空化核在周围产生上千个大气压，破裂时具有很高的能量，进而破坏不溶性污染物而使其分散在清洗液中。 蒸汽型空化对污层的反复冲击，一方面破坏污物与清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的破坏而脱离。 气体型气泡的振动能对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡就能钻入裂缝中振动，使污层脱落下来。

微激振器作用下的贮箱声场仿真模型包括贮箱、工具头和水域3 部分，贮箱尺度相对于单个微激振器设备相对较大，超声激振作用范围主要在贮箱与工具头接触附近，为了精确研究换能器作用处的声场分布，可以将模型的网格中划分为4个区域，如图7 所示，网格大小按照距离工具头由近到远分别为超细化、细化、普通、粗化，网格尺度应小于声波波长的1/5。

图7 声场仿真模型网格划分图Fig.7 The meshing of sound field simulation model

为了研究稳态下贮箱内部声场的分布，增加频域下的声－固相互作用模块，其中物理场包括固体力学、压力声学和声结构边界。 声波从水中传到空气中其边界可认为是柔软边界，并且声波在水域中传播时会有能量损失，取水中传播的衰减系数为5 Np/m，模型输入温度设置为293.15 K，在水域和贮箱壳体的交界处设置压力声学和固体力学的耦合边界，压力声学部分在水域中的边界设置如图8 所示。 微激振器工具头和贮箱壳体的弹性模量、密度、泊松比等参数如表1所示，在工具头与贮箱的接触面通过设置指定位移的方式增加0.05 mm 的振幅，同时在贮箱的两侧增加固定约束。 在频域下研究，频率设置为20 kHz，稳态求解器使用直接求解器MUMPS。

图8 水域部分边界条件Fig.8 The boundary conditions of the water area

3 仿真结果与分析

3.1 剪切机理

贮箱壳体在正弦激励作用下，其变形云图随时间的变化规律如图9 所示。 从图中可以看出，以工具头振动源为中心，声波向四周传播，出现一系列波纹，实现超声振动传播的模拟。 为了分析其最大等效应力随时间的变化情况，绘制其变化关系曲线如图10 所示，从图中可以看出，其最大等效应力在一个周期内迅速上升，在时刻＝T(T为振荡周期)时，等效应力达到最大，为130.36 MPa，随后逐渐下降，等效应力在10 个周期后趋于稳定。 考虑到微激振器启动时冲击的情形，安全系数可以选取2.0，则其许用应力为188 MPa，其最大等效应力低于贮箱的许用应力，表明该振幅在许可的范围内，不会对贮箱结构造成破坏。

图9 不同时刻的变形云图Fig.9 Deformed cloud images at different moments

图10 最大等效应力随时间变化曲线Fig.10 Time curve of maximum equivalent stress

为了分析贮箱与多余物界面处剪切应力的变化，定义从振动源作用点出发的轴向和圆周两条路径。 基于ABSYS/DYNA 显示动力学分析，模拟超声波在贮箱壳体和多余物界面的剪切效应，如图11 和图12 所示，分别显示了＝100 T 时的轴向路径和圆周向路径上、、平面上的剪切应力随着不同位置的变化曲线。 轴向路径曲线中的横坐标为到微激振器作用点的距离，圆周向路径曲线中的横坐标为从微激振器作用点沿着圆周方向的角度偏移。

图11 轴向路径上不同平面剪切应力曲线Fig.11 Shear stress curves of different planes on theaxial path

图12 圆周向路径上不同平面剪切应力曲线Fig.12 Different plane shear stress curves on the circumferential path

圆周向路径剪切应力曲线在轴向剪切应力分布图中可以看出平面和平面的剪切应力相近，最大分别为22.096 MPa、20.119 MPa，平面的剪切应力较大，最大为69.792 MPa。 3 个平面的剪切应力在距离工具头250 mm 处都明显下降低。 在圆周向剪切应力分布图中，平面和平面的剪切应力相近， 最大分别为11.581 MPa、10.176 MPa，平面的剪切应力较大，最大为76.479 MPa。平面相对于轴向路径，平面相对于圆周向路径，均沿超声波振动方向传播，振动方向上的剪切应力起主要清洗作用。

3.2 空化机理

贮箱中的液体在超声振动的激励下，超声波使液体内部的压强不断发生周期性改变，产生正负压，当压力减小时，液体内部或液体与固体界面上会出现结构断裂，形成空腔，只有当声波的幅度足够大时，所产生的负压足够低，才能满足上述条件，发生空化现象，并具有清洗效果，将这种声波压力所必须超过的阈值称为空化阈值。 本文清洗液体采用的是去离子水，空化核较多，取空化阈值为5×10Pa，作为微激振器作用下贮箱内产生空化效应区域的判断基准。

贮箱内水域声压仿真分布如图13 所示，从图中可以看出，由换能器激振产生的声压分布大致呈簇状，随着时间的推移声压分布逐渐趋于稳定。以激振源为中心，声压逐渐变小，形成正负相间的压强分布其最大声压达到6.11 MPa。 图14 所示为贮箱内水域声压级图，可出看出超声波产生的能量主要集中在激振源附近，以激振源为中心，沿着贮箱壳体和水域界面的轴向和圆周2 个方向进行传播。

图13 贮箱内水域声压分布图Fig.13 Distribution of sound pressure in the water area of the tank

图14 贮箱内水域声压级图Fig.14 Sound pressure level diagram in the water area of the tank

为了直观地看到内部的声压分布，分别截取垂直于轴线的圆周向界面和平行于轴线的截面，如图15 所示，从图中可以看出，声压主要集中在沿着贮箱壳体和水域界面处，在远离界面的水域中衰减速度很快，因此，空化效应更容易在界面位置产生，空化泡在贮箱内壁上不断生成、膨胀、破裂，冲击贮箱内壁表面夹杂的多余物，达到多余物清理的目的。

图15 不同界面上的声压分布Fig.15 Sound pressure distribution on different interfaces

3.3 微激振器影响参数分析

微激振器输出的是超声正弦振动波，其主要设计参数为振幅和频率。 更大的振幅意味着更高的输出功率，携带更多的能量，作用于多余物上的剪切应力更大，使其更容易脱落；同时声压幅值越大，空化泡的数量也会越多，可以获得更好的空化清洗效果。 但另一方面，输出振幅的增加也会消耗更多的能源，同时贮箱也会受到更大的振动冲击，甚至于对贮箱造成损伤，因此振幅选取必须适度。

频率主要影响空化效应，频率越高，空化阈值越高，需要的所需声压也就越大，才能激发空化效应。 同时，频率越高意味着单位时间内振动的次数越多，携带更多的能量，提高了空化效果。 但另一方面，频率太高会使超声波在管壁上传播时，声压的衰减变得很快，所以为获得最佳的清洗效果，频率必须选取适当值。

3.3.1 振幅

为了分析振幅对剪切效应的影响，对上述剪切模型分别施加不同的激振振幅，得到贮箱的Mises 云图如图16 所示。 分别施加振幅从10 ～80 μm 的8 组数据，其最大等效应力曲线如图17 所示，从图中可以看出当输入振幅越大时，贮箱壳体的等效应力越大，且呈现出正比关系，产生的剪切效应越明显。 但当激振源振幅达到60 μm 时，等效应力达到了184.6 MPa，接近于贮箱材料的许用应力188 MPa，不能保证激振器安全的工作，因此，设计时振幅应小于等于50 μm。

图16 贮箱的Mises 云图Fig.16 Mises cloud map of the tank

图17 不同振幅下的最大应力曲线Fig.17 Maximum stress curve under different amplitudes

为了分析振幅对空化效果的影响，选取不同声压幅值下的空化作用区域作为衡量指标。 为计算单个微激振器作用下的空化区域大小，在微激振空化模型COMSOL 仿真分析中，得到贮箱界面处轴向和周向对应的声压变化曲线如图18 所示。从曲线中可以看出，沿着轴向和圆周方向上，随着距离的增大，声压逐渐变小，且圆周方向上衰减的更快，即轴向的清洗范围要比圆周方向的清洗范围更大。 对仿真结果进行处理，将空化阈值分别与轴向位置和圆周位置声压变化曲线相比较，可以得出轴向和圆周方向的空化距离分别为322 mm和254 mm，对空化区域进行表面积分可得，贮箱内壁的空化效应面积为0.678 m。

图18 贮箱内声压的变化曲线Fig.18 Variation curve of sound pressure of the tank

为分析振幅对空化效应的影响，将振幅从10～70 μm 的7 组振幅分别作用于空化效应模型，并绘制其周向和轴向的声压变化曲线，通过表面积分计算得到其空化区域在不同的振幅作用下的分布曲线如图19 所示，可以看出，当振幅越大时，空化区域面积越大，即声压传播越远。 因此，空化效应会随着振幅的增大而增强，微激振的清洗效果也就越好。

图19 不同振幅下贮箱内空化区域面积变化曲线Fig.19 Variation curve of cavitation area in the tank under different amplitude

3.3.2 频率

超声清洗设备常用的频率有20 kHz、28 kHz、40 kHz 等。 超声频率的增加会使空化阈值增加，空化阈值和频率近似为线性关系，比例系数为0.05，计算这3 个频率下的空化阈值分别为500 kPa、500.4 kPa 和501 kPa，空化阈值的差别微小，因此，在研究频率对空化效应的影响时，将声压幅值设定为相同值，得到不同频率作用下的空化区域面积时，可以仅考虑频率的影响。

在COMSOL Multiphysics 进行贮箱内部声场的研究中，保持微激振器的输入幅值不变，分别进行20，28 和40 kHz 频率的仿真，通过上文所述的计算，得到不同频率下贮箱内固－液界面上发生空化效应的面积如图20 所示，从图中数据可以看出，随着超声振动频率的增加，贮箱和水域界面处发生空化效应的面积增加，即微激振器清理贮箱内多余物的效果更好。 但是，空化区域从28 ～40 kHz提高的比率要明显小于从20 ～28 kHz提高的比率，增加的幅度是逐渐衰减的，即证明了更高的频率会使超声波在贮箱内壁上传播时，声压的衰减变得更快，并不会得到成比例清理效果的增加，且频率越高时功率越不容易保证，因此激振频率不能过高。

图20 不同频率下的贮箱内空化区域面积Fig.20 Cavitation area in the tank under different frequencies

3.4 排列布置方式

从上文中分析可以得出，超声波的频率较高时，其沿着贮箱和水域界面传播时衰减速度很快，单个激振器的振幅受制于贮箱许用应力的限制，因此为了提高贮箱的清洗效率，可以采用多个激振器配合的清洗方式，以计算得出的空化区域面积为依据，分别沿着贮箱表面的轴向和周向进行布置。

3.4.1 周向布置

从3.3.1 节中可以得出，当微激振器的输出振幅是50 μm、频率20 kHz 时，单个激振器的周向的空化区域面积为0.678 m，为完成本方案中直径为2900 mm 贮箱的清洗，需要周向滚转20次以上，因此必须在周向合理布置微激振器阵列，提高清洗效率。 在贮箱外径2900 mm、壁厚5 mm时，为保证两激振器之间区域都可以发生空化效应，通过计算，微激振器的间距不应大于18.3°，本文选取激振器间周向间距为15°，以3 个微激振器为例，微激振器阵列的声压分布图如图21 所示，从图中可以看出，不同微激振器的声场叠加到一起形成干涉条纹，最大声压为7.14 MPa，与单个微激振器声压相比相差不大，此时空化区域面积达到1.74 m，是单个激振器作用下的2.5 倍，因此若在周向布置6 个微激振器时，仅需贮箱周向转动4 次，提高了清洗效率。

图21 微激振器阵列作用下的贮箱内声场分布Fig.21 Sound field distribution in tank under the action of the micro-vibration array

3.4.2 轴向布置

为了减少微激振器阵列在轴向沿运动导轨移动的次数，可以将其布置成双列的方式。 提高清洗效率。 沿轴向可以采用矩阵形式和三角形式来布置。 同样利用前文得到的单个微激振器产生的空话区域，周向间隔15°，对矩形和三角形的空化区域仿真模拟图如图22 所示，可以看出三角形排布比矩形排布的空化区域更大，矩形排布的声场发生更多的重叠，而三角形排布的声场分布更加均匀。 同时，矩形排布中有空化作用空缺的区域，会增加微激振器阵列的移动次数，因此轴向采用三角形布置的方式。

图22 不同排列方式下微激振器的空化区域分布Fig.22 Distribution of cavitation area of micro-vibration in different arrangements

在三角形排列布置方式中，前文得到在振幅50 μm、频率20 kHz 的条件下，轴向空化的最长距离为322 mm，考虑到上图所示的空化区域作用范围，通过仿真计算，并结合微激振器的外部尺寸，将两列微激振器的轴向距离设置为160 mm，此时，图示的三角形排布空化区域面积为3.79 m，完成本文轴向尺寸3000 mm 的贮箱清理，需要轴向移动8 次，提高了清洗效率。

4 结论

本文通过对剪切效应和空化效应2 种动力学模型的分析，揭示了贮箱内多余物脱落的机理，结合对影响清理效果的微激振器参数进行研究，获得到最佳设计参数，最终完成微激振器的排列布置方案，结论如下:

1)贮箱在微激振器作用下，多余物的脱落是剪切效应和空化效应共同作用的结果。 沿着振动方向上的剪切应力起主要清洗作用，声波主要集中在沿着贮箱内壁和水域界面处，并沿着贮箱内壁和水域界面的轴向和圆周两个方向进行传播。

2)影响微激振器清理效果的主要参数是输出的振幅和频率，在确保贮箱结构安全的前提下，最大振幅为50 μm，当频率为20 kHz 时，空化区域面积为0.678 m。 振幅越大，清洗效果越好；频率在20～40 kHz 变化时，空化区域面积随着频率的增加而增大，但增加幅度减少。

3)为提高清洗效率可以采用微激振器轴向和周向的排列布置方式，采用三角形布置可以得到最佳的清洗区域，本文模型沿周向布置角度间隔为15° ，周向布置6 个激振器阵列时，需贮箱圆周转动4 次；轴向布置间隔为160 mm 的2 列微激振器时，微激振器阵列轴向移动8 次即可完成贮箱内壁多余物的自动化清理。