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.      

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.      

自旋液体晃动研究

对旋转对称中心贮箱内的自旋液体晃动问题，提出了一个直接对Ｅｕｌｅｒ方程进行Ｇａｌｅｒｋｉｎ离散的近似方法，并分析了方法的近似性。     

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。     

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。     

多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制

采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法,将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程,其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模态坐标组成.通过广义准坐标下的拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程,提出了自适应快速终端滑模策略和输入整形技术相结合的复合控制器,并分别用于控制携带有一个燃料腔和四个燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.通过数值模拟来验证控制器的效率和精度.结果表明,对于多储液腔航天器,如果在设计航天器的姿态和轨道控制器时没有充分考虑燃料晃动效应,那么在受控航天器系统中将会出现刚-液-控耦合问题并导致航天器姿态不稳定.而本研究中的复合自适应终端滑模控制器可以实现航天器机动的高精度控制并有效抑制液体燃料晃动.     

充液刚体动力学研究方法概述

充液刚体动力学源自19 世纪的经典力学, 发展至今成为以航天高科技为背景的动力学分支. 本文概述充液刚体的力学模型与实际对象不断接近, 研究方法随之不断更新的过程.     

燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究

现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿真方法,采用等几何分析方法对贮箱内气体和液体整体进行建模和空间离散,采用压力修正的分步法对控制方程进行时间离散,结合水平集方法划分气体和液体区域并且实时追踪液体晃动自由面.提出了一种质量修正方法以消除水平集函数演化产生的液体质量误差.基于燃料大幅晃动等几何分析仿真方法,对携带太阳能帆板的充液航天器进行动力学建模和耦合运动数值仿真.对于太阳能帆板的振动问题则采用Kirchhoff-Love板理论建模和模态分析法数值求解.通过将数值仿真结果与解析解对比,证明了本文给出方法的正确性.本文还对燃料大幅晃动下的航天器刚-液-柔耦合运动进行了数值仿真,发现液体晃动对航天器的姿态变化和结构振动的幅值和频率具有不可忽视的影响.     

液体自由晃动的数值分析

本文对常重条件下自旋容器内液体的对称和任意阶反对称晃动建立了边界元算法，引入了两种调和函数以确定边界元系数矩阵的主对角元，并且提出了一种对计算机程序的正确性和数值解近似程度的考核方法。     

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.     

Viscoelastic plate-fluid interactive vibration and liquid sloshing suppression

The viscoelastic plate-fluid interaction problem was studied. Forced vibration of the interactive system was investigated, and the equivalent mechanical models were obtained. The conclusion is that, for some case, the inner damping of the viscoelastic baffle will play a major role for liquid sloshing suppression. The project supported by National Natural Science Foundation of China and Astronautics Ministry.     

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。     

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.     

微重环境下液体晃动研究进展

现代航天器通常携带大量的液体燃料,液体晃动会影响航天器的姿态稳定性和控制精度,因此需要对晃动行为进行精确建模. 本文系统介绍了微重环境下液体晃动问题的国内外研究现状:理论分析方面,总结了小幅晃动和非线性晃动的研究方法;数值计算方面,介绍了模态分析和CFD (computational fluid dy-namics) 方法在该问题上的应用;物理实验方面,阐述了地面实验和在轨实验的方法及进展. 最后进行总结与评价,并提出了该领域未来需要解决的3 个问题.     

微重环境下液体晃动研究进展1）

现代航天器通常携带大量的液体燃料,液体晃动会影响航天器的姿态稳定性和控制精度,因此需要对晃动行为进行精确建模. 本文系统介绍了微重环境下液体晃动问题的国内外研究现状:理论分析方面,总结了小幅晃动和非线性晃动的研究方法;数值计算方面,介绍了模态分析和CFD (computational fluid dy-namics) 方法在该问题上的应用;物理实验方面,阐述了地面实验和在轨实验的方法及进展. 最后进行总结与评价,并提出了该领域未来需要解决的3 个问题.     

防波板对罐车模型内液体晃荡影响的试验研究

罐车属于典型的移动式压力容器,在危险化学品运输中占有重要的地位。研究防波板对罐车液体晃荡产生冲击载荷的影响对于罐车的设计、防翻滚等具有重要意义。本文针对典型罐车模型进行试验,研究了载液高度、激励频率、激励幅值对液体晃荡引起的冲击载荷的影响,对比分析了有无防波板时自由液面的形状、罐车端面和防波板位置的冲击载荷峰值。试验结果发现：防波板会改变自由液面的固有频率,自由液面剧烈晃动的激励频率较无防波板时增大;防波板能有效降低相同激励频率和激励幅值下的冲击载荷峰值。在试验的激励频率范围内,中等载液高度时,防波板自由液面处的冲击载荷峰值大于同高度的罐车端面;高载液工况下,在自由液面以下的位置,罐车端面受冲击载荷峰值变化比防波板明显。在本研究基础上,通过实际罐车参数和液体晃动数值模拟,可对罐车和防波板的结构设计和优化提供指导。

     

窄长方形贮箱中液体的强迫晃动

本文求解了窄长方形贮箱中液体的强迫晃动，给出激励中含恒定分量时的几种液面波高修正方法，并对它们作了比较．     

基于VOF方法的圆柱箱体中液体晃动阻尼计算

对于部分充液箱体中液体小幅晃动问题,自由液面处的黏性耗散是总阻尼的重要组成部分.影响液体晃动阻尼的因素很多,导致阻尼计算的精度有限,为了提高阻尼的计算精度,提出了一种基于流体体积组分方法的阻尼计算方法. 采用该方法求解阻尼时,可以满足所有壁面的黏性无滑移条件,计算出具体的阻力值而不是一个范围.运用该方法的阻尼计算结果与已发表的试验结果更加吻合,特别是在液高比h/R<1时.