航天器与运载火箭耦合分析相关技术研究进展

本文以载荷分析为主要内容, 概述航天飞行器结构动力学研究的一些进展. 首先介绍航箭(航天器/运载火箭简称为航箭) 耦合系统载荷分析基本思想. 然后介绍以下3 个方面的载荷分析方法: (1) 采用基础激励理论初始载荷分析的近似方法; (2) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统分支模态综合法. 导出采用约束模态质量界面加速度的航天器载荷计算方法; 当仅考虑静定约束特殊情况时, 退化的方程与Chen 采用有限元法导出的方程相同. 给出新航天器载荷瞬态分析技术, 即一个以前的航天器/运载耦合系统载荷结果可以用来获得相同运载火箭发射一个新航天器结构的必要的载荷信息. (3) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统模态综合法. 包括: 固定界面模态综合法, 以及航天器/运载耦合的界面综合动态响应计算新方法. 最后, 介绍验证载荷分析技术. 简要讨论验证技术的重要性, 提出了采用试验与理论相结合的结构动态试验仿真技术,该方法包括了一套修正数学模型的新技术, 称之为子结构试验建模综合技术. 该方法已应用于复杂的结构建模. 在进行CZ-2E 运载火箭实尺模态试验之前, 用建议的模态试验仿真技术给出CZ-2E 模态参数的预示结果, 并与随后获得的实际模态试验结果相比, 两个结果彼此之间高度一致. 这个结果证明了模态试验仿真技术已成功地预示了CZ-2E 运载火箭的模态参数, 验证了建议的模态试验仿真技术的可靠性. 讨论了振动台振动试验仿真技术. 介绍了振动台振动试验仿真的几个关键技术. 包括: 有限元模型修正技术, 40 t 振动台系统台面控制仿真方法和D 卫星振动台振动试验仿真.      

结构动力学与运载火箭技术发展

力学作为工程研究的基础学科,在运载火箭的设计中起着至关重要的作用.结构动力学作为分支学科之一在其中扮演着重要角色,其发展水平很大程度上可反映火箭总体设计能力.本文着眼于结构动力学与运载火箭技术的结合点,简述其发展过程,并对其进一步发展方向提出设想.     

复合材料加筋板壳结构的后屈曲强度及破坏分析程序系统

本文介绍适用于复合材料（含各向同性材料）层合加筋板壳结构的后屈曲强度及破坏分析的程序系统的功能特点、原理和结构、通过一个受压剪载荷作用的加筋层合矩形板的破坏分析，并与试验结果作了比较，说明该程序系统的正确、可靠性。     

航天器动力学模型试验验证技术研究进展

耦合载荷分析是航天器研制过程中的一个重要环节, 能够为航天器结构设计, 地面验证试验条件制定以及批准型号发射提供重要依据, 而精确地得到试验验证的航天器动力学分析模型是开展耦合载荷分析的基础. 对于大型复杂航天器结构系统, 动力学模型的试验验证需要统筹安排初始建模、动力学试验、相关分析和模型修正等工作, 这是一项极具挑战的任务. 本文首先给出了结构动力学模型验证的基本流程, 然后重点讨论动力学试验, 相关分析与模型修正等关键技术, 最后结合工程实际的需求, 提出了今后航天器动力学模型试验验证技术研究的重点.      

复合材料结构几何非线性分析

本文采用退化的等参壳元分析了复合材料板、壳结构的几何非线性特性。数值计算表明：与各向同性材料不同,即使在很小的载荷和挠度下,几何非线性对复合材料结构的影响也是相当显著的。     

弹性薄板结构的等效激励谱反演问题研究

在声纳基阵腔内机械自噪声预报问题的研究中,确定平台区激励一直是个难题,考虑振源设备激励向声纳部位传播过程的复杂性,通过测量平台区振动响应对其外部激励情况进行估算是最具可行性的一种方法。本文根据弹性薄板结构的振动模态理论和简支边矩形薄板的Navier解法,详细探讨了在外部激励的分布状态未知或难以确定的情况下,基于响应相似原则进行等效激励虚拟假设,利用实测板壳结构振动响应和模态参数对等效激励进行反演计算的一般原理方法,分别用解析法和有限元法对等效激励估计实验方案中影响结果可靠性的主要因素进行了分析论证。结果表明,等效激励法是一种适用于激励作用位置缺失情况下,可靠的便于工程应用的环境激励反演评估方法。     

有频率,振型节线位置要求的结构动力学优化设计

本文提出一种同时满足固有频率，振型节线位置等要求的结构动力学设计方法，该方法先建立了振型节线位置及变化与独立设计参数的关系，然后在某些约束下利用优化方法求解设计结果，文中同时还给出了模态空间固有频率、振型灵敏度分析的数值计算方法，实例表明它能有效地解决一些工程结构设计时涉及到固有频率，振型节线位置要求的结构动力学设计问题。     

杂交结构的研究进展

纤维增强塑料（FRP）在土木结构中的应用越来越广泛,是目前结构工程领域内的一个研究热点,在参阅了中,外相关研究资料的基础上,介绍国内外此领域内的研究现状及其有待进一步研究的问题。     

从自由试验提取约束结构模态

已有的“从自由试验提取约束结构模态”的动柔度法，仅适用于刚性支承情况．在工程中，弹性支承状态是常见的，为此，建立了这一情况下的提取方法．该方法具有普遍性，因为当支承刚度很大时，可得到刚性支承下的结果；当支承刚度很小时，便可获得工程中用橡皮绳悬吊结构后所测得的自由-自由试验模态．总之，当支承刚度为任何值时，用此方法都能提取到相应约束结构的满意试验模态参数．表明该算法是非常稳定的，对于工程应用至关重要．     

不同约束条件对深海采矿输送管道动力学的影响

针对深海采矿系统长距离垂直输送管道顶端不同约束条件对复杂流固耦合振动特性的影响,采用基于双向流固耦合的模态分析方法,重点研究了铰接约束和弹性约束对管道固有频率及振型的影响;结合模态分析结果以及管道外壁所受应力和变形情况,对弹性约束管道进行谐响应分析,并根据分析结果对结构进行了优化设计。研究表明：对比两种约束条件模态分析结果,弹性约束管道固有频率最大、振幅最小,且振型最为简单,实际工程中管道顶端选用弹性约束最合适;当激励频率处于第7阶固有频率附近时,管道的振动响应最为激烈;通过增焊强环圈的方法对输送管道进行优化,对比优化前后模态分析结果,证明了优化的可行性。     

EFFECTIVENESS OF THE PROPELLENT CROSS-FEED TECHNOLOGY FOR LAUNCH VEHICLE

本文结合弹道优化,提出了估算和优化二级半构型运载火箭在不同发射模式和发射弹道下的近地轨道(low Earth orbit, LEO)最大运载能力的简单方法,并以长征七号为例进行了数值计算, 分析了使用推进剂交叉输送技术发射时的具体收效和最优弹道特点。数值计算表明：长征七号使用交叉输送技术发射时LEO最大运载能力能够比传统发射模式提高3 t(约20%), 同时降低发射过程中的最大轴向加速度近50%。该类型运载火箭采用推进剂交叉输送技术可以大幅提高运载能力。     

运载火箭推进剂交叉输送技术收效分析

本文结合弹道优化,提出了估算和优化二级半构型运载火箭在不同发射模式和发射弹道下的近地轨道(low Earth orbit, LEO)最大运载能力的简单方法,并以长征七号为例进行了数值计算, 分析了使用推进剂交叉输送技术发射时的具体收效和最优弹道特点。数值计算表明：长征七号使用交叉输送技术发射时LEO最大运载能力能够比传统发射模式提高3 t(约20%), 同时降低发射过程中的最大轴向加速度近50%。该类型运载火箭采用推进剂交叉输送技术可以大幅提高运载能力。     

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.      

结构动力模型修正方法研究进展

叙述了结构动力模型修正方法的一般原理及与其密切相关的模型缩聚和模态扩展方法, 并且挑选其中具有代表性的文献, 介绍和比较了3种主要的修正方法, 即传统的动力模型修 正方法, 包括矩阵型修正方法和参数型修正方法, 和最近兴起的基于神经网络的模型修正方 法, 重点分析了这些方法的优点和不足之处, 力图能使读者对于这一研究领域的发展有一个 脉络清晰的了解. 最后, 就目前研究中尚未解决的问题作了一些探讨.     

结构模态分析的有限元并行模拟

以子结构模态综合分析为基础,提出一种求解大型结构特征值问题的并行解法．采用子结构模态综合算法,结构特征模态采用子空间迭代方式并行求解．这种子空间迭代法的子结构并行计算的实施是利用子结构的刚度阵和质量阵而不必完全组集系统刚度阵和质量阵求解综合系统的特征值问题．数值结果表明这种求解大型结构特征值问题的并行算法是可行有效的．     

结构动力分析中时间积分方法进展

叙述了结构动力分析中时间积分方法的最新发展情况,对这一领域的基本原理和思想进行了总结,重点介绍一些新型计算方法的基本性质,为时间积分方法的进一步研究奠定基础。     

电子与光电产品设计中的结构动力学问题

电子装置与光电设备在许多工业领域和日常生活中都有广泛的应用. 这些产品在装配、运输和使用过程中经常会遭受一定的振动与冲击载荷, 因此振动与冲击可靠性是这些产品设计中必须考虑的一项重要性能. 特别是, 当前新技术日新月异, 新材料不断涌入, 如何在设计过程中分析振动与冲击的效应并采取防护措施就变得越来越重要. 本文概述电子装置与光电设备等产品设计中的动力学问题, 同时也对结构动力学本身提出新的研究课题.     

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.