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.      

充液系统液体-多体耦合动力响应分析

提出了充液系统的液体-多体耦合力学模型，基于ALE有限元法和多体系统动力学理论，发展了液体-多体耦合动力响应分析的一种有效方法. 对于液体子系统，将其运动分解为随同贮箱的大位移运动和相对贮箱的大幅晃动，引入贮箱固连参考系中的任意拉格朗日-欧拉(ALE)运动学描述，建立了贮箱固连非惯性参考系中液体的ALE有限元方程，对液体有限元方程的缩聚大大减少了液体子系统的计算规模. 为了计及液体阻尼的影响，引入了液体修正的Rayleigh阻尼，避免了伪阻尼力的出现. 对于多体子系统，应用多体系统动力学理论建立动力学方程. 在此基础上详细导出了液体-多体耦合动力学方程，并采用预估-多重校正算法(PMA)和时间步长控制算法进行迭代求解，既保证了迭代收敛，又提高了计算效率. 所给算例成功求解了液体运输车辆系统的液体-多体耦合动力响应，深入分析了有关参数对系统动力响应的影响，获得了一些结论.     

轴压作用下充液圆柱壳屈曲的实验研究

本文从实验及理论两个方面对充满液体的圆柱壳在轴向压力作用下液体内压的变化进行了实际测试及理论定性分析．采用薄壳理论分析了屈曲前液体内压随轴向压力的变化规律，讨论了壳材料、几何参数及边界约束对内压的影响．通过实验实际测定了内压随轴向压力的变化规律．通过实验手段测定了充满液体的圆柱壳临界载荷、屈曲模态，讨论了充满液体的圆柱壳的承载能力等问题．     

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。     

充满水的金属圆柱壳经受轴向撞击时屈曲过程的实验研究

本文报道了五种规格充满水的圆柱壳经受大质量低速度轴向撞击作用时屈曲过程的实验结果。研究表明由于液体的存在，圆柱壳的屈曲模态呈轴对称型的环带波纹，整个撞击过程可以明显地分为振荡的动力加载、平稳发展的后屈曲和迅速下降的弹性卸载三个阶段。并讨论了试件壁厚和高度等几何参数对其屈曲性能的影响。     

杆式射流对充液防护结构的毁伤机理及影响因素的数值模拟

运用ANSYS/LS_DYNA软件分析了聚能射流对充液结构的毁伤,初步获得了药型罩壁厚和材料等参数对聚能战斗部水下作用的影响特性。药型罩壁厚在0.04D_k~0.06D_k(D_k为装药直径)之间形成的射流对充液防护结构具有较优的侵彻性能;当δ<0.04D_k时,杆流成型结构较差,在水中的动能抗衰减性能较低;δ>0.06D_k时,射流的初始动能低,靶后效果差。药型罩可采用纯铁、紫铜和钽3种材料,其中纯铁射流的侵彻能力最高,钽射流在水中的动能抗衰减性能最好,紫铜射流具有较好的综合性能。     

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.      

带弹性附件充液矩形贮箱俯仰运动动态响应

首先建立了俯仰运动矩形贮箱刚-液-弹耦合系统在外力矩作用下的耦合动力学模型,给出满足边界条件的速度势函数和液面波高的级数表达式,采用伽辽金法离散,将动力学模型转化为常微分方程组,得到刚-液-弹耦合系统的固有频率,给出简单的近似表达式,分析了转动中心距静液面不同位置时刚-液-弹耦合系统各阶固有频率的变化规律,系统转动中心距静液面较近时,耦合后液体反对称模态和刚体的固有频率对比耦合前减小,较远时则增大,最后进行数值验证,比较分析了液体和弹性体对刚体姿态的影响．     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION AND COMPUTER SIMULATION ON DYNAMIC BUCKLING BEHAVIOR OF LIQUID-FILLED CYLINDRICAL SHELLS UNDER AXIAL IMPACT

This article reports an experimental investigation on the axial impact buckling of thin metallic cylindrical shells fully filled with water. Low velocity impact tests are carried out by DHR-9401 drop hammer rig. The whole process of dynamic buckling is simulated using LS-DYNA computer code. The consistency between experimental observation and numerical simulation is quite satisfactory. The investigation indicates that quite high internal hydrodynamic pressure occurs inside the shell during the impact process. Under the combined action of the high internal pressure and axial compression plastic buckling occurs easily in the thin-walled shells and buckling modes take on regular and axisymmetric wrinkles. This project is supported by the National Natural Science Foundation of China(19672039) and the Shanxi Foundation for Returned Scholars from Abroad.     

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.