航天器弹性充液贮箱双向流固耦合响应特性数值分析

贮箱是航天器的重要组成部分,就其结构方面来讲,基本特点是结构重量轻、刚度和强度要求高。贮箱本身填充大量液体,同时还需要经历较复杂的力学环境。因此薄壁贮箱的流固耦合问题,特别是动力学问题,一直是航天器的关键问题之一。针对薄壁贮箱的流固耦合问题,建立了弹性充液贮箱模型,采用双向流固耦合方法对考虑流固耦合效应的充液贮箱进行了瞬态响应分析,得到了充液贮箱液体晃动波高以及贮箱结构应力随时间的变化历程。通过改变贮箱的材料、厚度以及箱内液体的充液比,研究了箱体柔性对液体晃动及结构受力特性的影响。结果表明:适当增加箱体材料的柔性,即通过减小材料的杨氏模量、密度和厚度,可以有效抑制贮箱内液体晃动;增大箱体的厚度或者减小材料的杨氏模量和密度,箱体受到的应力均减小;改变箱内液体的充液比,可以发现,随着箱内液体充液比的增加,液体晃动幅度减小,箱体受到的应力增大。     

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。     

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。     

晃动液体单摆模型动力学参数的频域辨识

本文研究晃动液体动力学参数的频域辨识法,详细推导了晃动液体的等效单摆模型,研制了贮箱模型、悬挂装置和高灵敏度测力计。通过测量贮箱位移和激振力,求得其位移对激振力的频率特性数据。首先用误差校正法辨识传递函数系数,然后用数学规划法确定模型的动力学参数。同时,通过测量晃动液体的扰动力矩,直接推算单摆模型的悬挂点位置。辨识出的单摆模型动力学参数值与按位势理论计算的数值接近。研究结果表明本文采用的频域辨识法有效。     

液体箱的强度分析与设计

液体箱凭借其较大的体积容量、较高的安全可靠性能和较灵活便捷的运输方式,在多式联运和工业生产过程中得到了越来越广泛的应用。在此背景下,该文探究了液体箱强度计算标准,在分析有限元结构的基础上,对液体箱的设计标准、规范及设计条件进行了综述,并探讨了它优化参数的确定方法和材料的选择,进而对液体箱的框架结构设计进行深入探讨,旨在为液体箱强度分析和设计水平的稳步提升提供更多参考。     

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。     

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.     

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     

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。     

液体非线性晃动的同步Hopf分叉现象

针对受俯仰激励作用的圆柱形贮箱中液体非线性晃动,用变分原理建立了液体晃动的压力体积分形式的Lagrange函数;并将速度势函数在自由液面处作波高函数的级数展开,从而导出自由液面运动学和动力学边界条件非线性方程组;最后用四阶Runge-Kutta法求解非线性方程组。计算发现,在一定的激励频率内面外主模态和次生模态发生同步Hopf分叉,并给出了发生分叉的频率区域。     

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。     

考虑刚-液耦合的大幅晃动多体系统动力学建模与分析

该研究考虑刚-液耦合,建立大幅晃动多体系统的动力学模型。基于光滑粒子群方法(SPH方法)建立了非惯性系下大幅晃动液体的运动方程,液体边界条件采用虚粒子法,保证边界处不可穿透,从而改进了液体自由表面的计算精度。为了解决传统的排斥力法计算液体作用于刚体边界的晃动力和晃动力偶矩存在的精度不足问题,提出了一种新的计算晃动力和晃动力偶矩的方法,通过计算各粒子绝对加速度,得到粒子的达朗贝尔惯性力的主矢和对刚体质心的主矩,利用达朗贝尔原理计算得到向质心简化的晃动力和晃动力偶矩,建立了考虑刚-液耦合的充液刚体的动力学方程。在此基础上引入刚体之间的运动学约束关系,建立多体系统的动力学方程。通过液体晃动与制动液罐车两个算例,验证了建模方法的有效性。     

部分充液罐车内液体晃动的瞬态响应分析

针对部分充液罐车转向或制动过程中罐体内液体的晃动问题,建立了液罐车内液体晃动的三维力学模型,通过与准静态模型以及罐体内液体晃动的试验结果进行对比,验证了模型的有效性。研究了防波板的几何参数(开孔的大小、形状及位置等)对液体瞬态晃动时的载荷转移及晃动力的影响。评估了防波板不同的几何参数下,作用在罐体端面以及单个防波板上的力。发现了在中等或高充液比的情况下,在防波板和罐体端面或者相邻防波板之间的密闭空间将产生很大的空气压力。研究结果表明,防波板的几何参数对液体载荷的载荷转移量、晃动产生的作用力以及俯仰力矩均有很大的影响。空气压力可以减小液体的载荷的纵向转移量,从而抑制液体的晃动,提高车辆的制动性能。     

高地隙喷雾机车液耦合作业平顺性优化

针对高地隙喷雾机作业时其平顺性不佳的问题,建立ADAMS软件高地隙喷雾机虚拟样机仿真模型,并基于谐波叠加原理建立适应于高地隙喷雾机田间作业工况的E等级随机路面模型。考虑液体晃动对高地隙喷雾机作业的影响,建立药箱液体受迫晃动模型,并对其随机加速度激励进行研究,结果表明液体晃动程度受侧向和纵向加速度影响较大。根据药箱液体受迫晃动模型建立高地隙喷雾机车液耦合模型,对高地隙喷雾机不同车速、不同充液率、不同悬架参数工况下的高地隙喷雾机平顺性进行研究,得出各因素对高地隙喷雾机作业平顺性的影响规律,并优化最佳悬架参数,提高了高地隙喷雾机作业平顺性。     

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.     

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。     

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。     

液固耦合内流问题及防晃研究进展

对液固耦合内流问题以及液体晃动特性的研究在宇航工程中有着十分重要的意义，大型液体运载火箭以及战略弹道导弹中的推进剂与储箱的藕合效应和推进刑的晃动特性对它们的飞行动力稳定性有着很大的影响。为了使导弹和航天运载器具有良好的飞行稳定性，就必须对其内部液体推进剂的晃动加以抑制，避免使液体的晃动与整体结构的固有振动发生耦合，防止结构的固有振动频率和液体的晃动频率落入控制系统的频带之中。本文概述了近年来在液固耦合作用以及在推进剂防晃研究方面所取得的进展。     

内置横向圆柱体TLD的动力特性分析

为增大调谐液体阻尼器（TLD）中液体的晃动质量,以获得更优的动力特性,本文首次提出内置横向圆柱体TLD（TLD embedded a transverse cylinder,简称TLDETC）的概念。结合流体力学原理以及能量方法推导了TLDETC的晃动质量、晃动力、晃动阻尼比以及晃动频率的表达式,并通过三种设置方案对TLDETC与普通TLD进行了动力特性的对比分析。推导结果表明,TLDETC有效地增大了液体的晃动质量;而分析结果表明,TLDETC具有比普通TLD更优的动力性能。