运载火箭结构动力学模拟技术研究进展

本文首先按照火箭的不同型号, 综述了国内外全箭模态分析及试验验证的进展情况; 然后, 从蒙皮加筋圆柱壳结构动力学建模、液体推进剂动力学模拟、局部振型斜率预示三个方面, 综述了火箭动力学建模技术进展; 最后根据火箭动力学发展需求, 对后续研究提出了一些建议.      

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.      

模态分析与动态子结构方法新进展

综述在模态分析与动态子结构方法研究的一些最新进展.首先回顾经典的位移展开定理和模态叠加原理.为了加速经典方法的收敛速度、提高计算效率, 进一步介绍两个新的结构位移展开定理(采用固定界面模态的位移展开新定理, 给出采用低阶固定界面模态的高精度位移展开式;采用混合模态的位移展开新定理, 给出采用低阶混合模态表示的高精度位移展开式)和相应的动力学新解法.相应上述3个位移展开定理, 介绍采用解析推导的方法构造出3类动态精确子结构方法, 各种子结构模态综合法实质上都是它们的某种近似与变化形式, 从而形成系统的动态子结构分析技术.上述介绍的模态分析与动态子结构方法新进展与经典模态分析技术一起形成结构动力学分析技术的系统理论.      

结构模态耦合试验稳定性裕度研究及应用

针对某型验证机纵向伺服弹性稳定性裕度不足的问题,建立了基于结构模态耦合试验和仿真的分析方法。通过比较原型机与验证机之间传感器幅值裕度和响应曲线,初步判定传感器安装结构响应过大为此次裕度不足的主要原因。通过控制律仿真环节和机体动力学仿真环节建立了结构模态耦合仿真模型,模拟试验输入信号,获得传感器响应数据。通过结构模态耦合仿真,验证了倍频现象是导致传感器安装结构响应过大的原因,进而导致纵向稳定性裕度不足。提出了一种传感器支持系统可调频率动态控制装置,可有效提升结构模态耦合试验稳定性裕度。

     

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.     

与应变模态分析有关的若干问题

本文阐述了应变模态分析的基本原理及相应的参数识别方法，讨论了应变传递函数与应变模态振型、应变传递函数的性质，模态参数的识别以及应变传递函数与激振力谱、应变响应谱之间的关系。     

航天器动力学与控制的研究进展与展望

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用, 其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行. 航天器技术发展迅速, 其形式日趋多样化, 功能与构造日趋复杂,已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展. 航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境, 以及大尺度柔性结构等特征, 由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究. 航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真, 以及实验模拟等诸多方面, 研究内容十分丰富. 本文概括介绍了近年来航天器动力学与控制研究方面的发展状况, 综述了跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制、航天器部件级动力学与振动控制等航天领域中的若干基础问题. 内容主要集中于航天领域中不同应用范围、不同层次结构的航天器动力学模型的建立和动力学响应与振动控制的研究方法及已取得的成果. 最后, 提出了该领域中值得进一步考虑的科学问题及未来的发展方向.      

挠性航天器动力学模型的非约束模态分析

挠性航天器动力学建模中的挠性耦合影响系数是动力学建模中的重要力学概念,它反映了航天器姿态和轨道运动与挠性附件的弹性振动效应. 挠性耦合影响系数间的恒等式关系,即惯性完备性准则,是挠性航天器动力学模型降阶和模态截断的重要依据. 以中心刚体带挠性附件航天器为研究对象,采用约束模态和非约束模态法描述挠性附件结构变形,利用欧拉-拉格朗日方程建立挠性航天器的动力学模型. 基于 Hughes 的研究成果,对挠性航天器的非约束模态恒等式及其用于动力学模型降阶的惯性完备性准则进行了证明和应用研究. 探讨了两种动力学模型惯量间的关系,并利用约束模态惯性完备性准则,推导了非约束模态惯性完备性准则. 最后,对中心刚体带双侧太阳帆板和带单侧太阳帆板构成的挠性航天器模型进行数值仿真计算,求出挠性附件非约束模态平动耦合系数,分析了非约束模态特征值和平动耦合系数随着刚柔质量比的变化情况,并尝试用非约束模态惯性完备性准则的质量特征恒等式对挠性航天器模型进行了检验.      

热-动力学耦合多体系统建模与降阶

在轨运行的卫星天线受到太阳辐射热冲击后容易出现热致振动或指向不准确等问题, 严重时会导致航天器失效. 本文提出了一种基于改进模态综合法的刚柔热耦合多体系统建模与降阶方法. 采用绝对节点坐标法单元形函数对柔性天线的位移场与温度场进行统一离散插值, 避免了两种物理场网格不匹配带来的映射误差与效率问题, 并使用绝对节点坐标参考节点描述中心刚体. 在系统方程中考虑了热流输入和表面自热辐射. 针对绝对节点坐标法切线刚度阵高度非线性的特点, 利用一阶泰勒展开对系统动力学和传热学方程进行了分段线性化, 在线性化区间内切线刚度矩阵为常数矩阵, 避免了每个时间步上的弹性力及其雅克比矩阵的迭代计算, 并使得基于模态的降阶手段得以应用. 利用改进的模态综合方法划分子结构并缩减系统自由度. 相邻子结构之间通过约束方程保证连接精度和连续性. 通过纯导热半圆形薄板、薄板的热膨胀、柔性太阳能电池板和刚柔热耦合抛物线天线四个数值算例验证本文所提出方法的有效性. 结果表明, 本文提出的方法在保证仿真精度的前提下缩减了系统规模, 提高了仿真计算效率.      

具有刚-柔-液-控耦合的航天器动力学研究进展

从现代复杂航天器姿态非线性动力学、液体燃料晃动动力学与控制问题、航天器刚-柔耦合系统动力学建模问题、航天器刚-液耦合动力学、航天器刚-柔-液-控耦合动力学、充液航天器实验问题等方面概述了近年来国内外在充液航天器多体耦合动力学相关领域的最新研究进展. 分别从液体燃料晃动动力学建模问题、航天器刚-柔-液-控耦合系统非线性理论和方法、计算机数值仿真及物理实验问题等方面展望了有待进一步加强的研究课题.     

统计能量分析中的响应统计估计及其研究进展

统计能量分析(SEA)是分析复杂动态系统结构－声耦合振动响应的有效方法,而结构响应的统计估计是评价SEA分析准确性的基本依据,是SEA的一个重要组成部分.在简要介绍了SEA基本理论及其响应统计估计理论的基础上,对SEA中的响应统计估计的研究进展进行了综述和讨论,指出了在SEA响应统计估计中存在的问题,论述了需要进一步深入研究的方面,并着重讨论了响应统计估计中基于Poisson频率空间和高斯正交总体(GOE)频率空间的结构响应方差分析方法及其在SEA响应统计估计发展中的重要作用.      

充液系统动力学与航天高技术问题

充液航天器内部液体晃动及其对控制系统的影响,是当前国内外航天高技术研究的重要课题,也是一个比较复杂的问题。本文首先由力学变分原理导出了充液系统的状态方程,其次分析了充液系统的稳定性;特别是,研究了在失重或微重条件下,充液航天器内部液体晃动的动力学特性以及部分充液三轴稳定性问题等。本文的研究结果,对于航天、航空、航海中的充液系统动力学与控制问题,都有重要的参考价值。      

位移时空综合分析法及其在边坡工程中的应用

以往对监测位移数据分析方法主要是位移-时间关系分析。但监测数据包含了大量对工程设计和施工都很有用的信息，其中不乏位移-空间方面的信息；另一方面，从工程设计和施工角度看，除需要位移-时间信息外，还需要位移-空间信息。位移时空综合分析法的提出旨在综合位移-时间和位移-空间等两方面的信息，为工程设计和施工服务。该方法依表现形式不同又分为竖线法和曲面法两种。本文将通过五强溪船闸边坡工程实例，来进一步说明位移时空综合分析法的原理及其应用。     

薄板动力学相空间非传统Hamilton变分原理与辛算法

将弹性薄板动力分析从Lagrange体系改换为Hamilton体系.通过罗恩提出的一条简单而统一的途径,建立了弹性薄板动力学的相空间非传统Hamilton变分原理,并从该原理推导出相应的Hamilton正则方程、边界条件与初始条件.然后基于这种相空间非传统Hamilton变分原理,提出弹性薄板动力响应分析的辛空间有限元-时间子域法,文中数值结果表明,这种方法的计算精度与效率都明显高于常用的Wilson-θ法和Newmark-β法.     

山区公路开挖边坡的稳定性研究及其工程治理──以大甘坪路堑边坡为例

针对山区修筑公路常遇开挖自然斜坡坡脚而诱发边坡失稳的情况,以大甘坪路堑边坡为例,对大甘坪粘土进行卸荷路径下的三轴试验,以获得边坡稳定分析的计算参数。对边坡开挖作非线性有限元分析,探讨边坡塑性区形态和确定滑移面位置。现场监测边坡在渗流期的地下水位变化,采用极限平衡法计算边坡的安全系数,并对其稳定性进行评价。根据有限元分析结果,提出了利用抗滑挡土墙支挡和树枝笼排水沟构成排水系统的边坡治理方法。     

HyperFLOW软件非结构网格亚跨声速湍流模拟的验证与确认

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟在航空航天等领域发挥越来越重要的作用,然而CFD数值模拟结果的可信度仍然需要通过不断地验证与确认来提高.本文给出了从制造解精度测试、简单到复杂外形湍流模拟网格收敛性研究等三个方面开展CFD软件验证与确认的方法,并对自主研发的CFD软件平台HyperFLOW在非结构网格上模拟亚跨声速湍流问题的能力进行了验证与确认.首先通过基于Euler方程和标量扩散方程的制造解精度测试,分别验证了HyperFLOW在非结构网格上对Euler方程和黏性项的求解精度,结果表明其能够在任意非结构网格上达到设计的二阶精度. 其次,通过NASATurbulence Modeling Resource中的湍流平板、二维翼型近尾迹流动、二维Bump等几个典型的亚声速湍流算例的网格收敛性研究,量化考察了数值结果的观测精度阶和网格收敛性指数,并与国外知名CFD解算器CFL3D,FUN3D的计算结果进行了对比,验证了HyperFLOW对简单湍流问题的模拟能力,且具有良好的网格收敛性和计算精度(阶). 最后,通过NASA CommonResearchModel标模定升力系数的网格收敛性研究和升阻极曲线预测,验证了软件在复杂外形亚跨声速湍流流动数值模拟中也具有良好的可信度.