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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. 相似文献
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充液挠性航天器俯仰运动 1:1:1 内共振动力学分析 总被引:1,自引:1,他引:0
采用已推导的俯仰运动矩形贮箱受控刚-液-弹耦合系统在外力矩作用下的耦合动力
学模型,在刚体上加入控制项,详细分析了系统固有频率的精确解与近似解. 应用多尺
度法对耦合系统1:1:1内共振进行解析分析,与数值解比较验证解析解的正确性. 通过近
似解析分析得到刚-液-弹之间的耦合作用机理:1) 液深影响整个系统的软硬特性,当液体发
生软硬特性转化时,处于液体原多值频率区域的刚体和弹性体幅频曲线分支峰值会减弱,且
具有相同的特性转化趋势;处于液体新多值频率区域的刚体和弹性体幅频曲线分支峰值会增
强,且具有相反的特性转化趋势. 2) 刚体和弹性体幅频曲线的峰值均在以受控刚体和弹性体
为主的耦合系统固有频率处,以液体为主固有频率激励,刚体和弹性体振幅较小. 相似文献
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燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析 总被引:2,自引:1,他引:1
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. 相似文献
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贮腔类三维自由液面动力学问题数值研究 总被引:1,自引:1,他引:0
讨论了贮腔类三维自由液面动力学问题的数值研究,将任意的拉格朗日-欧拉运动学描述关系引入到系统的控制方程中,采用任意的拉格朗日-欧拉描述跟踪自由液面,推导了自由面上结点的法向矢量计算公式。采用Galerkin余量法推导了Navier-Stokes方程的空间离散有限元方程,采用三维自由液面上微分几何理论推导了表面张力计算公式。数值研究中考虑了接触角效应,最后进行了三维数值算例分析。 相似文献
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三维液体非线性晃动动力学特性的数值模拟 总被引:7,自引:0,他引:7
主要讨论圆筒形贮腔中三维液体非线性晃动问题,将任意的拉格朗日-欧拉(即ArbitraryLagrangian-Eulerian,简称ALE)运动学描述引入到Navies-Stokes方程中,在时间域上采用一种速度和压力的分步计算格式进行时间离散;在空间域上利用Galerkin加权余量法对系统方程进行数值离散;得到了数值计算粘性不可压液体非线性晃动的ALE分步有限元法的计算格式,推导了三维液体自由液面上结点法向矢量的数值计算方法,模拟了圆筒形贮腔(包括带圆环形隔板的圆筒形贮腔)中三维液体的非线性晃动;并得到了一些重要的非线必不知所云 性,通过数值模拟结果与实验结果的比较,证明实了本文方法的可靠性与有效性。 相似文献
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介绍Arnold的名著《经典力学的数学方法》的主要内容、主要特色以及它的学术影响, 并给出几点评论. 相似文献
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柔性全充液航天器大角度姿态机动混沌动力学 总被引:2,自引:1,他引:1
研究了受液体燃料黏性阻尼及柔性附件扭振影响的全充液航天器由最小惯量轴向最大惯量作大角度姿态机动过程中的混沌姿态动力学, 尤其是液体燃料和柔性附件振动的耦合效应对航天器姿态动力学的影响. 推导了耦合系统的动力学方程并利用尺度化方法将其转化为扰动系统的标准形式以便应用Melnikov方法对系统进行混沌姿态预测.推导了以系统参数形式表达的混沌姿态预测的解析准则. 将利用数值方法所得到的对系统的数值仿真结果与Melnikov解析准则进行了比较和评述. 研究了诸如航天器构型、液体燃料惯量及阻尼、柔性附件固有频率等系统特征量对混沌姿态的影响. 相似文献
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岳宝增 《应用数学和力学(英文版)》2008,29(8):1085-1092
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. 相似文献