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.     

带环形隔板的圆柱储箱内液体晃动阻尼分析

根据现有的阻尼理论,在线性势流的假设下,分别对带刚性和弹性隔板的圆柱形储液箱内液体晃动做了 有限元仿真计算. 计算结果与实验测定结果相比较发现,在晃动频率上符合得很好,但阻尼 比相差较大. 同时, 通过ALE有限元数值仿真,对储箱内无隔板和有隔板情况下的 黏性流体晃动做了比较,初步推定隔板对液体晃动的``滞阻'的一个重要表现形式为涡耗散.     

Damping computation of liquid sloshing with small amplitude in rigid container using FEM

An FEM (Finite Element Method) based damping estimation method of liquid sloshing with small amplitude in rigid container is proposed. Damping of the sloshing is affected by many factors and some of them are very complicated. Therefore, this paper aims to provide an estimation range, instead of computing the exact value of damping. This method will consider the dissipation at wall, in the interior, and at the contaminated free surface. Owing to the complexity of viscous damping at the free surface, damping of two extreme conditions are computed to estimate the range of actual damping. An iterative algorithm is designed to solve a special general eigenvalue problem. Comparing the computation results with experimental results, it is found that most of the experimental results are within the range of the numerical estimation. Therefore, the method is effective in estimating the range of the damping of liquid sloshing with small amplitude in rigid container. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10172048) The English text was polished by Keren Wang.     

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.     

极点配置对SINS罗经对准性能影响

分析了罗经对准基本原理。基于常见的几种罗经极点配置方案及其对准性能与不足,将一个二阶振荡环节和一个临界阻尼环节相串联,把4个极点配置在同一个圆上,得到一种新的极点配置方案。该配置方法既保证了对准算法的快速跟踪性能,又兼顾对准精度。采用车载晃动对准数据和风扰条件下的车载导航数据,比较了不同极点配置的对准效果。试验说明,新的极点配置方案可以跟踪载体低频姿态角变化,在180 s内完成SINS对准过程;该方法能够克服大风扰动影响,提高SINS晃动基座对准精度。针对大失准角条件下的对准问题,通过相平面分析证明,罗经回路产生的非线性罗经驱动力矩同样可以将数学平台驱动到导航坐标系,实现大失准角条件下的快速对准。     

加速器噪声对远红外FEL振荡器影响的模拟研究

采用FEL一维脉冲模型，针对中国原子能研究院的远红外FEL振荡器，模拟研究了加速器噪声对FEL的影响。对电子束微脉冲的时间晃动和能量波动所引起的光功率波动及光谱中心晃动进行了模拟计算，在计算中还分别考虑了噪声频率、振幅的大小产生的直接影响以及腔失谐的间接影响。     

基于姿态跟踪的LINS晃动基座初始对准

为了提高激光捷联惯性导航系统在晃动基座上的初始对准准确度,将惯性仪表数据的低频波动看作载体真实姿态晃动的反映,采用对准算法跟踪这种姿态变化.粗对准在惯性坐标系进行,利用惯性系对准对姿态变化敏感的特性,跟踪载体姿态角变化,确保粗对准误差为小角度;精对准采用标准Kalman滤波,避免了复杂的非线性算法,将两个水平加速引入Kalman滤波的量测向量,利用水平加速度对姿态角变化的敏感性,提高了Kalman滤波对准算法跟踪载体姿态变化的能力.提出了一种晃动基座对准准确度的考核方法,通过激光捷联惯性导航系统车载晃动对准和跑车试验,表明所提对准算法可以在风扰、发动机工作、人员晃动等干扰条件下,实现自对准,对准时间180s,对准重复性为0.04°,跑车水平定位误差达到770m/h,满足高准确度惯性导航设备要求.     

重力环境下液体大幅晃动运动脉动球模型及实验研究

现代航天器通常携带大量的液体推进剂, 在航天器的姿态发生变化的过程中, 由于惯性力和重力的作用, 可能会导致液体燃料发生剧烈晃动, 由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响. 为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求, 本文研究并验证了一种用于等效液体大幅晃动的动力学模型. 首先将液体大幅晃动运动脉动球模型MPBM推广到重力环境中, 通过脉动球的牛顿?欧拉动力学方程和“呼吸运动”过程中能量关系式, 推导出晃动力法向分量的表达式. 同时, 引入不参与晃动的液体的等效模型, 使得液体质心位置的计算更加准确. 通过和文献中实验数据以及CFD软件的计算结果进行比较, 分别验证了推广的MPBM模型在大幅晃动、零动量机动工况下的有效性, 并基于该等效模型, 研究了脉冲激励的不同时序对航天器中液体晃动响应的影响. 最后, 设计并搭建了用于精确测量液体晃动力的实验平台, 验证了MPBM模型在等效非球形储箱的液体晃动时也同样可以很好地反应出晃动力的变化趋势. 本文的研究工作对进一步研究重力环境中充液航天器刚–液耦合动力学行为具有重要的参考价值.      

基于液体晃动干扰观测器的航天器混沌姿态H_∞控制

针对航天器受液体燃料晃动及内外周期性微小激励耦合影响产生混沌运动的问题,提出了基于神经网络干扰观测器的自适应H∞鲁棒控制方案,以实现充液航天器混沌姿态运动的消除与液体燃料晃动的抑制.基于神经网络的非线性逼近能力设计干扰观测器,自适应跟踪补偿液体晃动、参数不确定及外扰引起的耦合扰动,解决液体燃料晃动角速度及外扰不易直接测量的问题,提高控制器对系统不确定的自适应能力及液体晃动的抑制能力.同时考虑观测误差与模型不精确问题,利用H∞控制策略提高控制器的鲁棒性.通过与现有常用控制策略的对比仿真研究,验证了控制方案的有效性及优势.     

代理模型在机翼油箱晃动适航审定中的应用

飞机飞行过程中,机翼油箱易受扰动或激励作用而产生低频晃动,引起机翼油箱壁面变形失效.本文将响应面代理模型引入飞机复合材料燃油箱晃动适航审定工作,以晃动频率、晃动幅值和油箱载液比为自变量,以油箱外壁面最大主应变峰值为响应,建立了油箱上下蒙皮响应面统计模型,给出油箱上下蒙皮最大主应变峰值与激励频率、幅值和油箱载液比等因素的显式响应函数.开展物理全尺寸试验和流固耦合数值模拟验证代理模型的有效性.结果 表明,上下蒙皮最大主应变峰值呈非线性趋势,存在最危险载液比使得主应变峰值最大化,且油箱破坏多发生在下蒙皮.