液体火箭冷弹射推进剂充液比影响研究

为研究冷弹射载荷作用下不同充液比的液体推进剂晃动对火箭发射精度的影响，以冷弹射液体火箭为研究对象，采用基于MPS(moving particle semi-implicit)方法的流-固耦合技术对推进剂晃动的动力学响应进行研究，得到液体推进剂充液比对火箭贮箱的干扰及其对火箭初始扰动和适配器受力特性的影响。结果表明：贮箱充液比越大，液体推进剂对单个贮箱的作用力越大；在一定范围内，随着充液比的增加，推进剂晃动使得火箭的离轨俯仰和偏航角速度先增大后减小，80%的充液比会使得火箭初始扰动及适配器受力较为恶劣；推进剂晃动问题在液体火箭冷弹射动力学研究中不可忽略。     

考虑贮箱液体晃动的复杂航天器分离动力学分析

考虑空间微重力环境下贮箱燃料的晃动行为,采用耦合的欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)方法,建立了航天器和液体燃料的分离动力学模型,通过航天器分离动力学及流固耦合动力学分析,解决了贮箱燃料液体晃动对航天器分离姿态的影响问题,给出了液体晃动对航天器产生的干扰力和力矩,对比了考虑液体晃动和假设贮箱液体为刚体得到航天器分离姿态的差异,不同液面高度对航天器分离姿态、干扰力和力矩的影响情况,分析结果为弹簧分离机构的优化设计和分离安全性设计提供参考,同时提高了航天器在轨姿态控制设计的可靠性。     

液体箱的流固耦合及结构优化分析

该文以液体箱的流固耦合及其结构优化分析为主要研究对象,在探讨液体箱液体晃动水击过程模拟状态及结果计算的基础上,深入梳理液体晃动冲击对液体箱罐体力学响应的重要影响,在此基础上优化改良液体箱的结构设计。     

基于变分模态分解的复杂航天器姿态扰动分析EI北大核心CSCD

以复杂航天器姿态控制系统为研究对象,在考虑航天器配置挠性帆板和充液贮箱的复杂情况下,对姿态控制系统闭环中由于帆板挠性和液体晃动产生的干扰力矩进行特性分析。基于虚功率法建立复杂航天器整体动力学方程,同时建立帆板振动和液体晃动动力学方程;采用相平面控制律完成复杂航天器姿态闭环控制仿真,对帆板挠性和液体晃动产生的干扰力矩进行数据采集;基于变分模态分解法对扰动力矩时域数据进行时频分析得到其扰动特性,为后续扰动抑制算法的设计提供理论基础。通过数学仿真结果表明该方法的适用性和准确性。     

贮箱类液固耦合动力学研究

以常重力作用下矩形贮箱类液固耦合系统受到俯仰激励情形为例,本文采用与以往不同的方式,在描述耦合系统中的液体子系统和结构子系统时,分别运用了两种不同形式的Lagrange函数,以此为基础可以得到降阶的系统耦合动力学方程,该方法大大减少了公式的推导工作。通过一个算例,讨论了该耦合系统的非线性动力特性。本方法可推广应用于分析圆柱等其它形状贮箱中液体的三维晃动情形下的液固耦合系统动力学特性。     

液固纵向耦合系统的受迫响应

建立了柱形贮箱中液体与弹性体纵向耦合振动的一类动力学模型，并运用Ｂｅｒｎｏｕｌｉ积分及Ｄ′Ａｌｅｍｂｅｒｔ原理导出了相应的动力学方程。发现在小幅晃动情况下，航天器的振动将构成对液体的有滞后相角的参数激励，这一滞后相角是弹性体阻尼及外激励的函数。对该动力学方程运用多尺度方法，得到液体各阶模态晃动的摄动解，从而得出固液系统纵向耦合特征的若干规律性认识     

充液容器跌落过程的SPH模拟方法

采用SPH和FEM耦合的方法,考虑流固耦合效应的影响,对典型矩形薄壁充液容器的跌落过程进行数值仿真。通过对容器的变形、自由液面的运动、液体对容器的动压变化、容器的应力状态和所受动态激励的情况进行分析,说明SPH方法在充液容器的冲击问题研究中是行之有效的数值计算方法。同时数值算例的结果对充液容器的设计和试验具有一定的参考价值。     

液体大幅晃动中的动平衡位置研究

液体在外部激励作用下发生大幅晃动时,晃动特性及响应将呈现一定的非线性,无法直接用传统等效力学模型进行描述。针对不同形状贮箱内液体在大幅晃动中的平衡位置变化进行了研究,从而为复合等效建模提供基础。首先考虑恒定激励,研究了轴对称贮箱及非轴对称贮箱内液体的动平衡位置,针对不同贮箱特点提出了平衡位置跟随等效重力部分的液体模型与动平衡位置描述方法,并进行了推导与CFD对比验证。其次,考查了时变激励下液体动平衡位置描述效果,针对上述贮箱形状分别进行了CFD仿真对比,验证了动平衡位置描述的正确性。最后,对该方法进行总结并对改进方向进行讨论。     

基于ZBO存储的低温储箱漏热分析

由于低温液体的存储温度很低,造成周围环境的热量漏入贮箱内部,导致低温液体的蒸发和贮箱内部压力升高.为了解决上述问题,采用被动绝热与主动制冷相结合的零蒸发无损存储(ZBO)方案,通过分析计算进入低温贮箱内的热量,包括通过储箱体、颈管及连接管路进入储箱的热量,为进一步减小漏热量及优化ZBO存储性能提供理论依据.     

微幅晃动下考虑地基效应的矩形贮液结构动力响应研究

一般情况下矩形贮液结构通过底板直接坐落在地基上,有必要在考虑地基效应的基础上研究其动力特;定义微幅晃动波高限值,并建立矩形贮液结构的简化模型。采用人工边界模拟地基效应,建立了有限元计算模型,对比两类模型对应的晃动波高以验证简化模型的合理性,基于势流理论在微幅晃动范围内研究在不同边界条件、不同地震波和不同地震加速度幅值下矩形贮液结构的动力响应。结果表明,两类模型得到的晃动波高趋势一致,且最大晃动波高相差较小。在微幅晃动范围,液体最大晃动波高和地震加速度幅值成线性关系,考虑土-结构相互作用后,壁板水平位移、壁板有效应力和液体晃动压力有较大程度的的减小,而地基效应对液体晃动波高影响很小。     

罐式集装箱液体晃动过程的数值模拟研究

罐车制动过程中,液体晃动产生的水击压力对罐车的安全性能具有很大的影响。基于此,本文运用FLUENT软件中的VOF模块模拟研究罐车在制动过程中罐内液体水击产生过程,并研究了罐车液体充装率、密度和黏度对罐体水击压强的影响。研究表明：制动过程中液体晃动水击内壁压力随着充装率的增加先增大后减小,充装率为0.85时,达到最大。且液体晃动水击内壁压力随着液体密度的增加而增大,随着液体黏度的增加而减小。按实际刹车制动过程液体晃动水击内壁压力计算的液化气体罐式集装箱的罐体最大应力要比按JBT4781-2005标准计算的最大应力增加33.2%,应依据实际刹车制动过程液体晃动水击内壁压力进行强度设计.     

带弹性膜的部分充液罐车罐体内液体横向晃动的瞬态响应分析

针对部分充液罐车转向过程中罐体内液体的晃动问题,提出了一种新型抑制液体晃动的阻尼装置:弹性膜。建立了相应的罐体内带弹性膜的流体-弹性膜耦合动力学模型,并通过实验验证了模型的有效性。通过计算仿真方法研究了弹性膜及其预应力的大小对液体瞬态时的晃动力和载荷转移量的影响。研究结果表明:弹性膜能限制液体的晃动幅值,从而减小液体晃动时对罐体壁面产生的侧倾力矩;弹性膜增大了液体横向晃动的固有频率,使液体横向晃动的固有频率远离了液罐车的紧急转向频率,从而避免了液罐车紧急转向时共振现象的发生。     

圆柱贮箱液体"平面"晃动波的稳定性研究

应用Floquet-Lyapunov方法研究了作水平横向运动圆柱贮箱中液体"平面"晃动波的稳定性问题.首先利用Narimanov-Moiseev三阶渐近假设关系,推导出描述液体作非线性共振晃动的5维渐近模态系统.根据此模态系统,推导出液体"平面"晃动波的频率响应方程并应用Floquet-Lyapunov方法研究了其稳定性和稳定区间.数值仿真结果表明虽然其频率响应方程与Duffing方程的频率响应方程具有相同的结构,但两者的稳定性范围有明显的不同.此外,当经过某一临界充液比时,液体的"平面"晃动将由"软"弹簧特性转变为"硬"弹簧特性.理论分析结果与实验有很好的吻合.     

采用矩阵分块方法的充液箱自由振动分析

针对部分充液箱体振动情况,采用矩阵分块的方法,对位移压力形式的耦合方程进行修改,使结构单元节点在交界面处满足相容性要求,结构和流体在耦合界面完成信息的传递。针对双层底液箱,编制有限元程序,求解出充液箱的频率和振型,通过与ANSYS数值结果进行比较,吻合良好,验证了方法的可用性。同时为采用位移速度势等其它形式的方程进一步研究充液箱体的振动提供了基础。     

含隔板球形贮箱液体晃动激励频率影响分析

针对航天器球形贮箱液体大幅晃动问题,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对液体进行建模:基于SPH方法基本方程推导出N-S方程的数值解,并给出人工黏度项、压力项表达式,选择动态边界法处理边界计算问题。建立光滑内壁球形贮箱及带防晃隔板球形贮箱两种模型,设计力模式、运动模式两种激励形式并选择三种激励频率进行仿真分析,分别记录舱壁受力及测点压强。仿真结果表明:激励频率取为1.5 Hz时,舱壁受力最大;隔板能够减弱液体晃动对舱壁产生的作用;液体晃动现象的产生使得舱壁在y,z两方向的受力均增大;位于液面以下的舱壁所受压力具有"双波峰"特性,而隔板的存在对压力峰值具有"平均化"效果,避免局部压力过大;位于液面以上的舱壁所受压力表现为"脉冲波"形式,随激励频率的增加隔板对舱壁压力的削弱效果越明显。     

流通环境对液氮充注蓄冷配送箱保温性能的影响

目的 为了提高液氮充注蓄冷配送箱在流通过程中的保温性能,保证配送品质。方法 搭建配送箱流通环境模拟试验平台,研究不同外界风速、外界温度和振动频率对蓄冷配送箱内空气温度变化和温度场分布的影响。结果 试验结果表明,当外界风速增大时,箱体内部环境的升温速度也会增大;外界温度对液氮充注完毕后箱内最低温度产生较大影响,箱体内部空气最低温度随外界温度降低而降低,同时始终在运输过程中维持较低的温度,箱体内温度场均匀性先提高后降低;振动对箱体内部环境的升温速度影响较大,而随着振动频率增大,箱体内部的温度场均匀性变差。结论 该研究可为蓄冷运输配送设备的设计与优化提供参考。     

材料和结构参数对悬壁梁式压电振子机电耦合性能的影响

对材料和结构参数对压电和基板不等长的矩形截面悬臂梁式双晶压电振子机电耦合性能影响进行研究。由Hamilton原理推导了压电振子振动方程模型,并试验验证了模型的准确性。理论分析显示,当电路阻抗匹配时,转换效率最大,且当粘性阻尼系数相同时,最优转换效率随着机电耦合系数增大而增大。压电振子机电耦合系数和压电材料机电耦合因子成正比;随着压电与基板模量比增大,机电耦合系数增大;压电与基板密度比对机电耦合系数影响微弱;机电耦合系数随压电与基板长度比和厚度比都呈先增后减趋势,存在最优长度比和厚度比使机电耦合系数达到最大值。结构优化后的机电耦合系数随模量比的增加而增大;不同模量比和密度比条件下,最佳长度比变化较小,总体变化范围为0.6~0.7;模量比对最佳厚度比影响显著,随着模量比增大最佳厚度比减小。研究成果可用以指导压电振子的设计。     

推进剂与贮箱液固耦合振动的动力学分析

分析液体燃料运载火箭的推进剂及贮箱的耦合振动时,为了精确建模、工程化快速计算及为火箭整体系统提供液固耦合燃料系统等效模态参数,根据有限元方法得到包含液体节点压力和结构节点位移的非对称形式的耦合动力学方程组,将表征液体运动的节点压力缩聚到液体自由面,使得方程对称化。通过等价Laplace方程边值问题的求解,得到耦合动力学方程中液体对结构的附加质量矩阵、附加刚度矩阵及耦合项。简易贮箱液固耦合模态分析的算例结果表明,该分析方法能够精确、快速地获得液固耦合系统的模态频率等动力学特性。从而使得高效率的液固耦合动力学分析在工程上应用成为可能,并为运载火箭等复杂液固耦合结构的有限元建模由简化模型向三维精确模型建立和工程化应用建立了基础。     

基于Workbench的大型浮顶储油罐的模态分析

当今我国对能源的需求不断提升，石油作为用途最为广泛的不可再生能源，为我国的能源产业奠定了基础。为了节省储存空间和成本，通常会将石油产品储存在大型储油罐中，由于各种石油类产品的易燃易爆性和有毒性，大型储油罐具有很大的安全隐患。我们所研究的储油罐属于一个流固耦合系统，目前对流固耦合系统进行模态分析主要使用声固耦合法和虚拟质量法，为了提高大型储油罐的安全性，文章利用Workbench中的模态声学模块对某大型浮顶储油罐在不同充液率的情况下进行了基于声固耦合法的湿模态分析，将大型储油罐内部储存的油体视为可压缩的声学介质，模拟储油罐内部在储存油体时的真实状态。最后求解出了几种不同充液状态下储油罐的固有频率和振型并给出了不同充液率情况下罐内液体晃动频率，对数据加以分析，结果表明：液体也是大型储油罐要考虑的约束条件之一，并且大型浮顶储油罐的自振特性以及罐内液体晃动频率对内部充液率的变化敏感。     

变质量贮箱类流固耦合系统的振动响应及时频特性分析

研究了变质量贮箱类流固耦合系统的动力学特性。根据虚拟质量法,使用有限单元法构建了变质量贮箱类流固耦合系统的动力学模型,建模过程中着重考虑了质量变化对系统的影响。通过Newmark直接积分法计算出变质量贮箱时变系统的振动响应,分析了不同质量变化率对变质量贮箱系统动力响应的影响,并借助平滑伪Wigner-Ville变换获得变质量贮箱时变系统的动力响应时频谱。结果表明:由于系统质量减少,引起了系统振动频率的增大,并产生一个附加的负阻尼。这个负阻尼的大小与系统的质量变化率成正比。对比不同质量变化率和不同结构阻尼变质量贮箱的动力响应及时频特性,系统的振动频率的范围可以通过系统质量的范围确定,而且当附加负阻尼的作用超过系统结构阻尼的作用时,会使得系统的振动振幅增大,引起系统的不稳定。平滑伪Wigner-Ville变换是处理非平稳信号的一种有效工具。