严 伟，朱景文，周卫雪

（1.蓝箭航天空间科技股份有限公司，北京 100176；2.北京航天长征飞行器研究所，北京 100076）

0 引言

金属波纹管是一种具有褶合轮廓的柔性管材，在管路系统中通过褶合处的变形补偿管道连接处的相互位移，同时吸收振动能量。这使得其在保持局部刚性的同时，整体又具有柔韧性，因此，被广泛应用于液体火箭发动机的推进剂输送系统中。

液体火箭发动机常采用低温介质液氧作为助燃剂。当液氧在波纹管中输送时，流动状态通常是复杂的非定常湍流。同时，受褶合区域复杂几何的影响，液氧的流动会呈现出一定的周期性，进而诱导波纹管结构发生振动［1-2］。流体诱导振动的强度通常不大，影响可忽略，但如果振动频率接近波纹管固有频率，将引起结构共振，此时迅速增大的交变应力会在很短时间内令波纹管疲劳失效［3-5］。

美国早在20 世纪60 年代就开展了波纹管流体诱导振动的相关研究。在土星5 运载器第2 次飞行期间，其中1 台2 级J-2 发动机发生故障导致提前关机；同一次飞行，3 级的J-2 发动机在地球轨道上起动失败。这些异常最后查明是由于流体诱导振动导致波纹管疲劳失效引起的。这些失效案例促使美国对流体诱导波纹管振动问题进行了广泛研究，调查分析了超过50 个不同种类的挠性软管和管路样本［6］。

早期的流动可视化试验，观察到波纹管褶合处有漩涡不断脱落，确认了流体在波纹管内壁的涡脱落是诱导振动的原因。基于涡脱落理论，美国国家航空航天局（NASA）建立了流体诱导波纹管振动的数学模型，提出了估算波纹管在给定几何尺寸和来流速度下的流体诱导振动应力的半经验方法。……