贮液容器的晃动分析

贮液容器在晃动下的液固耦合振动问题是人们一直想解决的工程难题之一.本文以能量法导出了随时间作交替晃动的贮液容器的广义变分泛函,给出了这类问题的解法,并通过数值算例,对这类耦合振动的特征作了简要的分析.     

储液容器内液体晃荡的非线性动力学分析

基于非线性波动理论模型,求解储液容器内液体晃动的固有频率、模态及动力学响应问题。流体使用u_s-u_p状态方程,利用ABAQUS软件的自适应网格技术,建立储液容器液体晃动数学模型,通过施加水平简谐激励得到液体晃动的固有频率和模态,并与解析解对比,验证了该方法的准确性与可行性。然后,分析了矩形储液容器在多种激励作用下液体非线性晃动响应特性。     

微重力环境下慢自旋充液容器内的液体晃动

本文研究在表面张力作用下自旋刚性容器内的部分充液液体的自由晃动问题。采用Pfeiffer方法建立了液体自由晃动特征值边值问题,利用边界元法数值求解晃动的特征频率和模态,分别计算给出球腔内的液体晃动关于充液比、微重Bond数和自旋Bond数的特征叛率曲线。     

微重力作用下旋转轴对称容器内液体静表面形状分析

)引言随着液体火箭和充液卫星的不断发展,在失重或微重环境下,容器内液体晃动问题引起了普遍的重视。理正从理论与实验两方面进行研究。一般地说,在静平衡液面上提出边界条件比较方便;对于微重情况,自由液面已不 ...     

液体三维晃动特征问题的有限元数值计算方法

本文采用有限元方法数值求解任意刚性容器内液体三维晃动的固有频率和模态。通过建立液体晃动特征问题的泛函极值原理，编制了四面体等参单元有限元程序，计算了平放圆柱腔内三维液体晃动的特征频率，并将矩形容器、球腔、带“十”字隔板球形容器内的液体三维晃动计算结果与解析解、实验结果和二维有限元数值解进行了比较，程序的正确性得到了验证。     

微重力下圆柱形贮箱内液体晃动的分岔现象

为了得到微重力下液体晃动的特性,晃动模态用具有水平静液面的液体晃动模态近似. 液体晃动取前5 个重要模态,用Lagrange 方程推导了横向力作用下液体晃动和航天器结构的无量纲的耦合动力学方程并进行数值模拟. 模拟了液体晃动模态随外力振幅和频率变化产生的分岔现象,并分析了系统参数,如Bond数、接触角、接触角迟滞、充液高度、频率比、质量比以及外力的周期形式和方向等对晃动模态的分岔的影响.     

微重力状态下旋转对称刚性容器中液体晃动研究

本文研究微重状态下旋转对称刚性容器中液体晃动问题。用摄动迭代法计算静止自由液面,精度较高。利用微幅晃动条件,使运动方程线性化,导出了液体晃动固有频率的计算公式。最后,对园柱形容器进行了具体计算。     

充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的研究与应用

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高, 液体推进剂占航天器总质量的比重也不断增加. 液体推进剂的晃动影响着航天器的运动稳定性和姿轨控系统的可靠性, 是航天器动力学中一个备受关注的问题. 充液航天器中晃动的液体是一个分布参数系统, 理论上是无穷维的, 而工程上希望建立的数学模型是简单、低维的, 因此对液体晃动等效力学模型的研究经久不衰. 另外, 液体推进剂对航天器的结构动特性有着重要的影响, 在建立充液航天器的结构动力学模型时需要考虑液体推进剂与贮箱等结构的耦合效应. 本文首先结合液体晃动动力学理论和航天工程实际, 从理论研究、数值研究和实验研究等三个方面综述了国内外在充液航天器液体晃动动力学领域的研究现状, 并以此为基础介绍了航天工程中液体晃动等效力学模型的应用进展情况; 然后, 以液体运载火箭为例概述了国内外在充液航天器液固耦合建模方面的成果,介绍了求解液固耦合问题的数值方法和应用软件; 最后, 根据航天器工程的发展需求, 对充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的进一步研究方向提出了一些建议.      

钢筋混凝土矩形贮液结构的液-固耦合晃动——弹性底板

针对小幅晃动的理想液体,根据钢筋混凝土矩形贮液结构的液-固耦合振动模型和数理方程理论,推导了结构内液体的速度势函数.针对Winkler弹性地基的情况,应用能量原理推导了钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动频率的计算公式.为便于工程应用,给出了钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动基本频率的计算公式.结合数值算例,讨论了混凝土弹性模量、基床系数、液体密度和底板的相对厚度等对钢筋混凝土矩形贮液结构液-固耦合晃动基本频率的影响,从而为以后工程结构中钢筋混凝土矩形贮液结构的设计计算提供了理论依据.     

Dewar瓶内液体晃动的近似计算方法

本文研究Dewar瓶内液体的晃动特征问题，将液体晃动的微分方程边值问题转换为具有积分形式的泛函极值问题，在此基础上建立了旋转对称容器液体晃动特征问题的有限元数值计算方法和通用程序，并计算了Dewar球，球腔，圆柱腔液体的晃动固有频率，结果显示了Dewar瓶综合了球腔和圆柱腔液体晃动的特征，它将液体晃动频率控制在一窄带范围之内。利用该程序，本文又计算了Dewar瓶液体晃动的单摆模型，为了便于工程应用，本文提出了一种对Dewar瓶建立等效圆柱容器液体晃动模型的方法，给出了模型的参数变换公式，从而可以通过对圆柱窝器液体晃动的解析计算得到Dewar瓶的液体晃动结果。利用数值计算结果，本文验算了近似计算方法的有效性和近似程序。     

储液罐动力学与控制研究进展

阐述了储液罐动力学与控制的工程应用背景, 从3个方面回顾了储液罐动力学与控制的研究进展, 即: 储液罐类液体晃动动力学、液体晃动等效力学模型和储液罐多体系统动力学与控制. 其中对储液罐类液体晃动动力学的研究成果从解析方法和数值方法两方面进行了概述; 在储液罐多体系统动力学中概述了车载、船载储液罐系统动力学和充液航天器固--液--控耦合动力学近年来的研究成果.对今后需要进一步开展的研究方向进行了展望.      

微重力状态下旋转对称刚性容器中液体的晃动响应

在文[1]的基础上,本文进一步研究了微重力状态下旋转对称刚性容器中液体的晃动响应问题,导出了液体晃动响应的计算公式。最后,对圆柱形容器作了具体计算,并将计算结果与实验数据进行了比较。 在文[1]中,已给出了微重力状态下旋转对称刚性容器中液体的静正自由液面及固有晃动频率的计算方法,在此基础上,现进一步研究其动态响应问题。     

基于多尺度方法的平动圆柱贮箱航天器刚–液耦合动力学研究

以充液航天器为工程背景,借助多尺度方法研究刚–液耦合动力学系统非线性动力学特性.利用多维模态方法,将描述横向外激励下圆柱贮箱中液体非线性晃动的自由边界问题转换为液体模态系数相互耦合的有限维非线性常微分方程组.推导液体晃动产生的作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩的解析表达式,进而建立航天器刚体部分平动和液体晃动耦合的非线性动力学方程组.应用多尺度方法对刚–液耦合系统的动力学特性进行解析分析,通过固有频率的特征方程求解耦合系统固有频率,推导外激励频率接近耦合系统第一阶固有频率时液体晃动稳态解的幅值频率响应方程.结合数值方法,研究了液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线和激励–幅值响应曲线.结果表明,随充液比变化,液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线会发生软、硬弹簧特性转换现象和"跳跃"现象;幅值频率响应曲线的软、硬弹簧特性转换点受重力加速度和弹簧刚度系数影响;以上所得研究结果表明,考虑非线性效应时的刚–液耦合系统动力学特性与传统的线性系统模型所显示的动力学特性具有本质区别.本文的研究工作对进一步分析充液航天器刚–液耦合非线性动力学特性具有重要参考价值.     

基于多尺度方法的平动圆柱贮箱航天器刚——液耦合动力学研究

以充液航天器为工程背景,借助多尺度方法研究刚--液耦合动力学系统非线性动力学特性.利用多维模态方法,将描述横向外激励下圆柱贮箱中液体非线性晃动的自由边界问题转换为液体模态系数相互耦合的有限维非线性常微分方程组.推导液体晃动产生的作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩的解析表达式,进而建立航天器刚体部分平动和液体晃动耦合的非线性动力学方程组.应用多尺度方法对刚--液耦合系统的动力学特性进行解析分析,通过固有频率的特征方程求解耦合系统固有频率,推导外激励频率接近耦合系统第一阶固有频率时液体晃动稳态解的幅值频率响应方程.结合数值方法,研究了液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线和激励--幅值响应曲线.结果表明, 随充液比变化,液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线会发生软、硬弹簧特性转换现象和"跳跃"现象;幅值频率响应曲线的软、硬弹簧特性转换点受重力加速度和弹簧刚度系数影响;以上所得研究结果表明,考虑非线性效应时的刚--液耦合系统动力学特性与传统的线性系统模型所显示的动力学特性具有本质区别.本文的研究工作对进一步分析充液航天器刚--液耦合非线性动力学特性具有重要参考价值.      

代理模型在机翼油箱晃动适航审定中的应用

飞机飞行过程中,机翼油箱易受扰动或激励作用而产生低频晃动,引起机翼油箱壁面变形失效.本文将响应面代理模型引入飞机复合材料燃油箱晃动适航审定工作,以晃动频率、晃动幅值和油箱载液比为自变量,以油箱外壁面最大主应变峰值为响应,建立了油箱上下蒙皮响应面统计模型,给出油箱上下蒙皮最大主应变峰值与激励频率、幅值和油箱载液比等因素的显式响应函数.开展物理全尺寸试验和流固耦合数值模拟验证代理模型的有效性.结果 表明,上下蒙皮最大主应变峰值呈非线性趋势,存在最危险载液比使得主应变峰值最大化,且油箱破坏多发生在下蒙皮.     

重力环境下液体大幅晃动运动脉动球模型及实验研究

现代航天器通常携带大量的液体推进剂, 在航天器的姿态发生变化的过程中, 由于惯性力和重力的作用, 可能会导致液体燃料发生剧烈晃动, 由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响. 为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求, 本文研究并验证了一种用于等效液体大幅晃动的动力学模型. 首先将液体大幅晃动运动脉动球模型MPBM推广到重力环境中, 通过脉动球的牛顿?欧拉动力学方程和“呼吸运动”过程中能量关系式, 推导出晃动力法向分量的表达式. 同时, 引入不参与晃动的液体的等效模型, 使得液体质心位置的计算更加准确. 通过和文献中实验数据以及CFD软件的计算结果进行比较, 分别验证了推广的MPBM模型在大幅晃动、零动量机动工况下的有效性, 并基于该等效模型, 研究了脉冲激励的不同时序对航天器中液体晃动响应的影响. 最后, 设计并搭建了用于精确测量液体晃动力的实验平台, 验证了MPBM模型在等效非球形储箱的液体晃动时也同样可以很好地反应出晃动力的变化趋势. 本文的研究工作对进一步研究重力环境中充液航天器刚–液耦合动力学行为具有重要的参考价值.      

液罐车罐体内液体横向晃动研究

为研究液体晃动对液罐车行驶稳定性的影响,针对罐体内液体的横向晃动问题,运用势流理论建立了液体晃动的控制方程,并采用Galerkin方法进行了求解;根据等效原则建立了罐体内液体晃动的弹簧-质量-阻尼等效力学模型,通过与试验数据的比较,验证了文中的求解过程及建立等效模型方法的正确性。运用建立的等效模型,通过具体算例分析了液体晃动特征频率和等效模型参数随充液比的变化关系、车辆的侧向加速度和充液比对罐体的横向作用力和力矩的影响。结果表明：在液体晃动中,第一阶晃动质量起主导作用,在精度要求不高的情况下,可以考虑只建立一阶等效系统;液体晃动第一阶特征频率随充液比的增加而增加,第二、第三阶特征频率随充液比的增加先减小再增加;罐车转向运动时,充液比在λ为0.8~1.0时液体晃动最剧烈,并且液体对罐体的作用力和力矩均随侧向加速度的增加而增加。     

带环形隔板的圆柱储箱内液体晃动阻尼分析

根据现有的阻尼理论，在线性势流的假设下，分别对带刚性和弹性隔板的圆柱形储液箱内液体晃动做了 有限元仿真计算. 计算结果与实验测定结果相比较发现，在晃动频率上符合得很好，但阻尼 比相差较大. 同时, 通过ALE有限元数值仿真，对储箱内无隔板和有隔板情况下的 黏性流体晃动做了比较，初步推定隔板对液体晃动的``滞阻'的一个重要表现形式为涡耗散.     

燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.      

EQUIVALENT DYNAMICS MODELING AND ANALYSIS OF LIQUID-FILLED SPACECRAFT WITH FUEL CONSUMPTION 1)

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.