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相似文献
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1.
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.  相似文献   

2.
李晓玉  岳宝增 《力学学报》2019,51(5):1448-1454
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.   相似文献   

3.
吴文军  岳宝增 《力学学报》2014,46(2):284-290
考虑低重环境下由于表面张力的影响使得圆柱贮箱内液体呈现弯曲自由液面的情况,以俯仰激励下液体晃动的占优模态振型函数为晃动速度势的基函数,利用傅里叶-贝塞尔级数对贮箱受俯仰激励时的自由液面处的运动边界条件进行展开,得到能描述晃动系统本质的广义状态方程,并分别给出了固有频率、晃动波高、晃动力和晃动力矩等晃动特征的计算方法. 通过具体算例得到了俯仰激励下贮箱内液体晃动特征的动态响应,同时验证了文中方法的收敛性、可行性和正确性.   相似文献   

4.
任意三维贮箱内液体晃动的模态分析及其等效力学模型   总被引:4,自引:0,他引:4  
本文采用有限元方法建立了数值求解任意三维贮箱内液体晃动固有频率和摸态、动力特征参数的通用程序,利用ANSYS有限元前处理模块.使得程序的通用性达到最大化。通过对液体受迫晃动的结果分析,发现了三维晃动中贮箱外激励与模态响应之间的复杂关系.并且提出了建立液体受迫晃动的等效力学模型的方法。本文以油罐车充液贮箱为例,数值研究了贮箱端部不同所引起的动力学差异,给出了晃动频率和晃动质量的变化曲线。  相似文献   

5.
矩形贮箱内液体非线性晃动动力学建模与分析   总被引:11,自引:2,他引:11  
陈科  李俊峰  王天舒 《力学学报》2005,37(3):339-345
基于理想流体的假设,根据H-O原理建立了充液贮箱刚体平动与液体非线 性晃动的耦合动力学方程,通过引入改进的势函数描述刚体和液体之间的动边界. 利用伽辽 金方法对动力学方程进行了离散. 针对液体非线性晃动情况,与ALE有限元方法、边界元方 法的结果进行了比较,验证了方法的可行性. 对刚体平动和液体非线性晃动耦合的情 况,数值模拟了多种外力激励下系统的响应. 利用等效力学模型解释了耦合系统固有频率升 高的现象.  相似文献   

6.
纵向参数激励下平动刚-液耦合系统稳定性   总被引:1,自引:0,他引:1  
李青  王天舒  马兴瑞 《力学学报》2010,42(3):529-534
纵向参数激励下液体晃动稳定性是航天器动力学中一个广受关注的问题,然而在以往的研究中没有考虑液体晃动与航天器运动之间的耦合作用对系统参数振动稳定性的影响. 建立了用液体晃动等效单摆模型描述的纵向激励下平动刚-液耦合系统的Mathieu方程,采用摄动法确定了耦合系统1/2亚谐波振动和谐波振动的激励幅-频稳定性边界. 研究发现,液体晃动与主刚体横向运动的耦合作用扩大了参数振动不稳定区, 并使其向高频移动,影响的程度随等效晃动质量的减小而减小;液体晃动模态阻尼对1/2亚谐波振动不稳定区的缩小作用远弱于对谐波振动不稳定区的缩小作用. 对耦合系统第1阶液体晃动模态1/2亚谐波振动响应的研究表明:当纵向激励参数在不稳定区内时,可能引起主刚体的纵横耦合振动现象.   相似文献   

7.
液体三维晃动特征问题的有限元数值计算方法   总被引:3,自引:1,他引:3  
包光伟  王政伟 《力学季刊》2003,24(2):185-190
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。  相似文献   

8.
在航天、航空和建筑工程中经常需要准确计算容器内有自由面液体的晃动固有模态和受激晃动响应.工程贮液容器一般是对称轴在铅直方向的轴对称体,其中大部分还是旋成体.通常可以将容器视为静止或运动的刚体.在必须计及容器壁的弹性变形运动和液固动力耦合效 ...  相似文献   

9.
微重力环境下慢自旋充液容器内的液体晃动   总被引:2,自引:0,他引:2  
包光伟 《力学季刊》1992,13(4):19-27
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。  相似文献   

10.
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.   相似文献   

11.
Under pitch excitation,the sloshing of liquid in circular cylindrical tank includes planar motion,rotary motion and rotary motion inside planar motion.The boundaries between stable motion and unstable motion depend on the radius of the tank,the liquid height,the gravitational intension,the surface tensor and the sloshing damping.In this article,the differential equations of nonlinear sloshing are built first. And by variational principle,the Lagrange function of liquid pressure is constructed in volume intergration form.Then the velocity potential function is expanded in series by wave height function at the free surface.The nonlinear equations with kinematics and dynamics free surface boundary conditions through variation are derived.At last,these equations are solved by multiple-scales method.The influence of Bond number on the global stable response of nonlinear liquid sloshing in circular cylinder tank is analyzed in detail.The result indicates that variation of amplitude frequency response characteristics of the system with Bond,jump,lag and other nonlinear phenomena of liquid sloshing are investigated.  相似文献   

12.
Tuned liquid dampers utilize sloshing fluid to control wind-induced structural motions. However, as a result of the nonlinear free surface boundary conditions of fluid sloshing in a two-dimensional rectangular container, a closed-form solution describing the response behaviour is unavailable. Modal expansions, which couple the sloshing modes, are carried out to the first, third and fifth order to construct a system of coupled nonlinear ordinary differential equations that are solved using the Runge–Kutta–Gill Method. Modal damping is incorporated to account for energy losses arising from the fluid viscosity and the inclusion of damping screens. The model is in general agreement with a previous third-order model that incorporated screen damping in the fundamental sloshing mode only. Sinusoidal shake table experiments are conducted to validate the proposed models. Response time histories and frequency response plots assess the model’s prediction of wave heights, sloshing forces, and screen forces. The first-order model accurately predicts the resonant sloshing forces, and forces on a mid-tank screen. The higher-order models better represent the wave heights and forces on an off-centre screen. Experimental results from structure–TLD system tests under random excitation are used to evaluate the performance of the proposed models. The first-order model is able to predict the variance of the structural response and the effective damping the TLD adds to the structure, but as a minimum, a third-order model should be employed to predict the fluid response. It is concluded that a first-order model can be utilized for preliminary TLD design, while a higher-order model should be used to determine the required tank freeboard and the loading on damping screens positioned at off-centre locations.  相似文献   

13.
液体晃动等效力学模型的参数识别   总被引:2,自引:0,他引:2  
本文研究确定贮箱内液体晃动等效力学模型的参数的试验方法。通过对充液贮箱试验系统的简化分析得到系统的传递函数表达式,应用频响函数拟合方法得到了模型参数,在曲线拟合过程中利用权函数解决液体晃动的非线性影响因素。应用本文所述方法研究了某型号卫星推进剂贮箱的液体晃动问题。  相似文献   

14.
针对舱内晃荡液体与舱壁的相互作用,对舱内水动冲击力的等效力学模型进行了研究。基于混合系统理论,建立了强非线性液体晃荡的等效摆分段仿射模型,重点对矩形液舱的简化等效力学模型进行了分析。利用计算流体动力学软件Flow3D对矩形液舱内的强非线性液体晃荡进行了数值仿真。理论分析表明:分段仿射模型更符合刚性碰撞的假定,可以更有效地描述等效摆和舱壁碰撞时的速度跃变。仿真结果的对比表明:受到激励时,等效摆分段仿射模型所产生的力与Flow3D计算的结果比较接近,利用此模型可以恰当地描述强非线性液体晃荡。  相似文献   

15.
Tuned liquid dampers (TLDs) utilize the sloshing motion of the fluid to suppress structural vibrations and become a natural candidate for damping vibrations in rotating wind turbine blades. The centrifugal acceleration at the tip of a wind turbine blade can reach a magnitude of 7–8g. This facilitates the use of a TLD with a relatively small fluid mass and with feasible geometric dimensions to mitigate the lightly-damped edgewise vibrations effectively. In the present paper, modal expansions are carried out directly on the velocity field and the free surface of the sloshing liquid in the rotating coordinate system. A formulation has been proposed leading to coupled nonlinear ordinary differential equations, which have been obtained through the Galerkin variational approach together with the modal expansion technique. Two models, with one sloshing mode and three sloshing modes, have been studied in the numerical simulation. It is shown that the one-mode model is able to predict the sloshing force and the damped structural response accurately, since the primary damping effect on the structure is achieved by the first sloshing mode of the fluid. Although it is unable to predict the fluid free-surface elevation equally well, the one-mode model can still be utilized for the design of TLD. Parametric optimization of the TLD is carried out based on the one-mode model, and the optimized damper effectively improves the dynamic response of wind turbine blades.  相似文献   

16.
俯仰运动圆柱贮箱中液体的非线性晃动   总被引:9,自引:3,他引:6  
首次对储仰运动圆柱贮箱中液体的有限幅值晃动问题进行了解析研究。首先建立了描述俯仰和/或偏航运动贮箱中液体晃动的非线性偏微分方程组,而后提出了相应的变分原理,建立了压力体积分形式的Lagrange函数,通过变分方程,最终得到措述俯仰和/或偏航运动圆柱贮箱中液体晃动的非线性动力学微分方程组,该动力学方程组自然满足液体自由表面的运动学和动力学办界条件。而后动用多尺度法求解了所得的动力学方程组,对非线性液  相似文献   

17.
In liquid storage tanks, rotary sloshing occurs when the frequency of the lateral harmonic load is near the lowest frequency of the tank–liquid system. Rotary sloshing is a type of sloshing that modifies the tank response, which may cause instabilities of the tank wall. However, the consequences of rotary sloshing for the development of strain in the tank wall have not been elucidated. This paper presents an experimental determination of the effects of rotary sloshing on the development of strain and acceleration at various locations of a storage tank. A low-density-polyethylene tank containing water was tested using a shake table. Nine excitations with frequencies near the first free-vibration frequency of the tank–water system were employed. To suppress rotary sloshing, a high-density foam floating lid was utilised as a barrier. Results reveal rotary sloshing boosts not only the development of both hoop and axial strain but also the acceleration in the horizontal direction perpendicular to the excitation. The lid reduced the maximum hoop and axial strain by 500% and 400%, respectively compared to that when rotary sloshing occurs. Moreover, the lid suppressed the nonplanar sloshing by erasing the first three free-vibration frequencies of the tank–water system without the lid.  相似文献   

18.
燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析   总被引:2,自引:1,他引:1  
刘峰  岳宝增  马伯乐  申云峰 《力学学报》2020,52(5):1454-1464
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.   相似文献   

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