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.      

Damping computation of liquid sloshing in containers aboard spacecraft

Under the non-rotating assumption, a method for the calculation of damping of fuel sloshing with small amplitude in containers aboard spacecraft is proposed in the present paper. And we have presented an eigen-value equation for sloshing damping and frequency computation. This equation may be solved by Ritz or Galerkin methods for a container of simple geometry or by finite element method for a container of arbitrary geometric shape even with rigid baffles. The simulated results show that the equivalent damping coefficients is directly proportional to fuel‘s viscosity, whereas it almost exhibits no influence on sloshing frequencies. The drawback of the proposed method lies in expensive computation cost. Thus far, it hasn‘t yet be applied to a container with elastic baffles.     

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.      

矩形贮箱内液体非线性晃动动力学建模与分析

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.     

ACTUATION OF SLOSHING MODULATED FORCE AND MOMENT ON LIQUID CONTAINER DRIVEN BY JITTER ACCELERATIONS ASSOCIATED WITH SIEW MOTION IN MICROGRAVITY

ＡＣＴＵＡＴＩＯＮＯＦＳＬＯＳＨＩＮＧＭＯＤＵＬＡＴＥＤＦＯＲＣＥＡＮＤＭＯＭＥＮＴＯＮＬＩＱＵＩＤＣＯＮＴＡＩＮＥＲＤＲＩＶＥＮＢＹＪＩＴＴＥＲＡＣＣＥＬＥＲＡＴＩＯＮＳＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤＷＩＴＨＳＩＥＷＭＯＴＩＯＮＩＮＭＩＣＲＯＧＲＡＶＩＴＹＲ...     

颗粒阻尼在航天器减振中的应用与前景

振动抑制是航天器结构设计关心的主要问题之一。本文介绍了一种新型的颗粒阻尼技术,分析了颗粒阻尼器的背景设计难点、减振原理及其影响因素,给出了几个应用实例,对其国内外应用研究现状进行了总结。针对颗粒阻尼器的基本设计原则可以认为：颗粒阻尼器在航天器的蜂窝夹层结构中具有天然的安装优势,而其不受环境限制的特点有望为航天器结构极端工况下的部／组件减振提供一条可行的路径。     

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。

     

圆筒形贮腔中微重力液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力液体在圆筒形贮腔中的非线性晃动问题。将ALE（任意的拉格朗日－欧拉）运动学描述关系引入到Navier-Stokes方程中,在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式,利用Galerkinlk加权余量方法推导了系统的有限元数值离散方程;推导了考虑表面张力效应时有限元边界条件的弱积分形式。推导了自由液面上法向矢量的计算公式。模拟了圆筒形贮腔中低重力液体的非线性晃动,并得到了自由液面、波高变化、压力响应等非线性动力特性。揭示了微重力液体非线性晃动的重要特征并将所得结论与现有的实验结果进行了比较。从而证实了本文方法的有效性与正确性。     

俯仰激励下三维液体大幅晃动问题研究

主要研究俯仰激励下三维液体大幅晃动问题,将任意Lagrange-Euler法 (arbitrary Lagrange-Euler, ALE)运动学描述引入到Navier-Stokes方程中,推导了俯仰激励下液体大幅晃 动数值模拟计算公式,并利用Galerkin加权余量法推导了有限元数值离散方程和分步有限 元计算格式,采用ALE分步有限元方法对圆筒形贮腔中的液体大幅晃动进行了数值模拟计 算. 得到了波高、晃动力及晃动力矩等晃动特性的时间变化历程,并对结果进行了分析,揭 示了俯仰激励下三维液体大幅晃动问题的非线性现象.     

Free bending vibration of annular cylindrical tank partially filled with liquid in the consideration of surface wave

ＦＲＥＥＢＥＮＤＩＮＧＶＩＢＲＡＴＩＯＮＯＦＡＮＮＵＬＡＲＣＹＬＩＮＤＲＩＣＡＬＴＡＮＫＰＡＲＴＩＡＬＬＹＦＩＬＬＥＤＷＩＴＨＬＩＱＵＩＤＩＮＴＨＥＣＯＮＳＩＤＥＲＡＴＩＯＮＯＦＳＵＲＦＡＣＥＷＡＶＥＺｈｏｕＤｉｎｇ（周叮）（ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅ...