Modeling and test study of the radial stiffness of the force-balanced compensators

GAO Xianming; LU Shaohui; XU Hongpeng; LI Yuhan; ZHANG Yanlong

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.005

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Modeling and test study of the radial stiffness of the force-balanced compensators

·Experimental Research·Testing Technology· | 更新时间：2026-04-15

- Modeling and test study of the radial stiffness of the force-balanced compensators
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 4, Pages: 39-46(2026)
- 作者机构：
  
  1.陕西科技大学机电工程学院，西安 710021
  2.西安航天动力试验技术研究所，西安 710100
- 作者简介：
  
  GAO Xianming, E-mail: gaoxianming@sust.edu.cn
- 基金信息：
  
  Key Laboratory Open Project of Ministry of Education(KFKT202307)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.005
  CLC： O343.2;TB121;TB115
- Received：01 August 2024，
  
  Revised：2024-09-19，
  
  Published：15 April 2026
- 稿件说明：
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高羡明，卢少辉，徐鸿鹏，等. 力平衡补偿器径向刚度建模与试验研究［J］. 机械强度，2026，48（4）：39-46.

GAO Xianming，LU Shaohui，XU Hongpeng，et al. Modeling and test study of the radial stiffness of the force-balanced compensators［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（4）：39-46.
高羡明，卢少辉，徐鸿鹏，等. 力平衡补偿器径向刚度建模与试验研究［J］. 机械强度，2026，48（4）：39-46. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.005.

GAO Xianming，LU Shaohui，XU Hongpeng，et al. Modeling and test study of the radial stiffness of the force-balanced compensators［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（4）：39-46. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.005.

摘要

目的

针对大推力液体火箭发动机试验中力平衡补偿器力学特性难以精准识别的问题，以DN500力平衡补偿器为对象，研究其在不同工况下的径向刚度特性。

方法

首先，基于曲杆模型和能量法，建立单层U形波纹管径向刚度的机制模型，并分析其受载变形规律；其次，采用Ansys软件建立补偿器整体有限元模型，模拟其在内部充压（0~1.2 MPa）及终端加载工况下的力学响应；然后，设计并搭建专用的力学特性试验装置，通过液氮增压模拟真实工况，对补偿器进行加载测试；最后，结合有限元分析与试验结果，对刚度模型中的修正系数进行标定。

结果

研究结果表明，初始状态下，补偿器整体因重力下沉，随终端载荷增大，位置逐渐上移且内部变形减小；当内部充压为0~1.0 MPa时，补偿器的终端径向刚度由55.03 N/mm线性减小至15.07 N/mm（有限元分析值），试验值则由63.49 N/mm线性减小至20.17 N/mm，两者趋势高度吻合。所构建的刚度模型与修正系数能有效预测补偿器的径向刚度，可为同类补偿器的结构优化设计及推力修正提供参考。

Abstract

Objective

To address the challenge of accurately identifying the mechanical properties of force-balanced compensators in high-thrust liquid rocket engine tests

this study investigates the radial stiffness characteristics of a DN500 force-balanced compensator under various operating conditions.

Methods

Firstly

a mechanical model for the radial stiffness of a single-layer U-shaped bellow was established based on the curved beam model and energy method

and its deformation behavior under load was analyzed. Secondly

a finite element model of the entire compensator was developed using Ansys software to simulate its mechanical response under internal pressurization (0-1.2 MPa) and end-loading conditions. Then

a dedicated experimental setup for mechanical property testing was designed and built

where real working conditions were simulated by pressurizing with liquid nitrogen to conduct loading tests on the compensator. Finally

by combining finite element analysis with experimental results

the correction coefficients in the stiffness model were calibrated.

Results

The results indicate that the compensator initially sinks due to gravity. As the end load increases

it gradually moves upward

and the internal deformation decreases. When the internal pressure ranges from 0 to 1.0 MPa

the terminal radial stiffness of the compensator decreases linearly from 55.03 N/mm to 15.07 N/mm according to finite element analysis

and from 63.49 N/mm to 20.17 N/mm according to experimental measurements

showing a highly consistent trend. The established stiffness model and correction coefficients can effectively predict the radial stiffness of the compensator

providing a reference for the structural optimization design and thrust correction of similar compensators.

关键词

Keywords

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