任意三维贮箱内液体晃动的模态分析及其等效力学模型

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。     

低重环境下俯仰运动圆柱贮箱内液体晃动

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.      

微重条件下两底为半球面腰为圆柱面的贮箱中液体的晃动特性

本文研究了微重条件下两底为半球面腰为圆柱面的贮箱中液体的晃动特性。首先分析了静液面形状。然后用一类特征函数展开的方法求出液体自由振动频率、液体对腔壁的反作用力和力矩,在此基础上得到了等效力学模型.最后给出了数值计算结果。     

俯仰运动圆柱贮箱中液体的非线性晃动

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     

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.      

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.      

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.     

充液矩形贮箱弹性箱底板应力与变形分析

基于相容拉格朗日-欧拉法,通过对流场与弹性固体间流固耦合作用的分析,得到了矩形贮箱弹性底板流固耦合系统的自由振动微分方程。将伯努利方程与外加激励条件、速度势函数耦合到自由振动方程中,采用迦辽金积分法,给出了矩形贮箱在流体作用下的应力与变形的解析解。讨论了弹性底板的抗弯刚度、结构尺寸、底板材料参数及流体深度等因素对底板应力与变形的影响。研究结果表明:在液体晃动非线性激励作用下,贮箱底板的应力和变形随着液体深度、板长的增大而增大,随着板厚的减小而增大,且成非线性变化关系;底板的变形及应力与底板的材料常数相关,其中板厚的变化对其变形和应力影响要比板长及液体深度的影响显著得多。本文结果可为工程实际中矩形贮箱的设计提供参考。     

微重力场中液体在带隔板球腔内的晃动

本文讨论微重力场中带球面隔板的球腔内液体晃动问题。选择Legendre函数作为Ritz方法的基函数,计算液体的自由晃动及腔体横向振动激励的受迫振动。计算结果表明,自由晃动频率随隔板位置的下降而趋于升高。液体晃动的动力学效应可用等效的质量—弹簧系统模拟。     

Motion stability dynamics for spacecraft coupled with partially filled liquid container

This paper presents a canonical Hamiltonian model of liquid sloshing for the container coupled with spacecraft. Elliptical shape of rigid body is considered as spacecraft structure. Hamiltonian system is an important form of mechanical system. It mostly used to stabilize the potential shaping of dynamical system. Free surface movement of liquid inside the container is called sloshing. If there is uncontrolled resonance between the motion of tank and liquid-frequency inside the tank then such sloshing can be a reason of attitude disturbance or structural damage of spacecraft. Equivalent mechanical model of simple pendulum or mass attached with spring for sloshing is used by many researchers. Mass attached with spring is used as an equivalent model of sloshing to derive the mathematical equations in terms of Hamiltonian model. Analytical method of Lyapunov function with Casimir energy function is used to find the stability for spacecraft dynamics. Vertical axial rotation is taken as the major axial steady rotation for the moving rigid body.     

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。     

A study of sloshing absorber geometry for structural control with SPH

A liquid sloshing absorber consists of a container, partially filled with liquid. The absorber is attached to the structure to be controlled, and relies on the structure's motion to excite the liquid. Consequently, a sloshing wave is produced at the liquid free-surface within the absorber, possessing energy dissipative qualities. The primary objective of this work is to numerically demonstrate the effect of a sloshing absorber's shape on its control performance. Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is used to model fluid–structure interaction of the structure/sloshing absorber system in two dimensions. The structure to be controlled is a lightly damped single degree-of-freedom structure. The structure is subjected to a transient excitation and then allowed to respond dynamically, coming to rest either due to its own damping alone or with the added control of the sloshing absorber. It is identified that the control performance of the conventionally used rectangular container geometry can be improved by having inward-angled walls. This new arrangement is robust, and of significant advantage in situations when the external disturbance is of uncertain magnitude.     

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

ＡＣＴＵＡＴＩＯＮＯＦＳＬＯＳＨＩＮＧＭＯＤＵＬＡＴＥＤＦＯＲＣＥＡＮＤＭＯＭＥＮＴＯＮＬＩＱＵＩＤＣＯＮＴＡＩＮＥＲＤＲＩＶＥＮＢＹＪＩＴＴＥＲＡＣＣＥＬＥＲＡＴＩＯＮＳＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤＷＩＴＨＳＩＥＷＭＯＴＩＯＮＩＮＭＩＣＲＯＧＲＡＶＩＴＹＲ...     

Nonlinear coupled dynamics of liquid-filled spherical container in microgravity

Nonlinear coupled dynamics of a liquid-filled spherical container in microgravity are investigated. The governing equations of the low-gravity liquid sloshing in a convex axisymmetrical container subjected to lateral excitation is obtained by the variational principle and solved with a modal analysis method. The variational formulas are transformed into a frequency equation in the form of a standard eigenvalue problem by the Galerkin method, in which admissible functions for the velocity potential and the liquid flee surface displacement are determined analytically in terms of the Gaussian hypergeometric series. The coupled dynamic equations of the liquid-filled container are derived using the Lagrange＇s method and are numerically solved. The time histories of the modal solutions are obtained in numerical simulations.     

纵向参数激励下平动刚-液耦合系统稳定性

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.      

Nonlinear sloshing of liquid in rigid cylindrical container with a rigid annular baffle: free vibration

In this paper, the free nonlinear sloshing of liquid in a rigid partially liquid-filled cylindrical container with a rigid annular baffle is investigated. The liquid domain is firstly divided into four simple sub-domains so that the liquid velocity potential in each sub-domain has continuous boundary conditions of class \(\hbox {C}^{1}\) . Then, based on the Bateman–Luke variational principle, the equivalent variational formulation of the free boundary problem for the liquid in a baffled container is derived. By introducing the generalized time-dependent coordinates, the surface wave height and the velocity potential are expanded in the form of generalized Fourier series. Substituting the series expression of surface wave height and velocity potential into the variational formulation enables us to obtain the infinite dimensional modal system. Finally, based on the Moiseev asymptotic relations, the infinite dimensional modal system is reduced to a finite dimensional modal system. Good agreements have been achieved by comparing the present results with those obtained from the Gavrilyuk’s solutions. The effects of baffle parameters and initial conditions on the nonlinear sloshing of liquid are discussed in detail.     

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。