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.

刚-液耦合航天器系统的Hamilton结构及稳定性分析

该文采用3D刚体摆来等效推进剂的非线性晃动行为.由此研究了该刚-液耦合航天器系统的Hamilton结构,介绍了系统的R^(3)约化(对应系统的平移不变性或总线动量不变性)以及S_(o)(3)约化(对应系统的旋转不变性或总角动量不变性),并推导了系统在约化空间s^(∗)_(o)(3)×s^(∗)_(o)(3)×S_(o)(3)上的约化Poisson括号.接着研究了刚-液耦合航天器系统的自旋稳定性特征,先根据对称临界原理推导了刚-液耦合航天器系统的相对平衡态,由此根据能量-动量方法与分块对角化技术,推导了系统的自旋稳定性条件和Arnold形式的稳定性边界.最后根据具体模型参数,给出了以图形方式展现的自旋稳定域.

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-控耦合动力学近年米的研究成果.对今后需要进一步开展的研究方向进行了展望.

求解液体大幅晃动问题的数值方法评述

对在推进剂贮箱中带有自由液面液体大幅晃动问题的研究是一个在充液航天器动力学与控制分析中十分重要的问题．介绍和评述了求解带有自由液面液体大幅晃动问题的数值模拟方法。

三维液体大幅晃动及其抑制的数值模拟

利用 AL E( Arbitrary L agrange- Euler)有限元方法 ,以速度和压力为基本变量 ,数值模拟了圆筒形贮腔中不可压粘性三维液体的大幅晃动问题 .为了避免混合插值在求解三维问题中的数值计算麻烦 ,推导了分步插值的有限元计算格式 ,得到了横向强迫晃动下的速度及压力响应 .根据工程需要 ,对带有圆环形肋板的圆筒形贮腔中的非线性晃动进行了数值模拟计算 ,得到了强迫激励下的速度及压力响应 ,并将得出的一些重要结论与有关实验结果进行了对比分析 .

ALE迎风有限元法研究进展

综述了ALE描述方法及ALE描述下的运动学关系,介绍了流体力学中运动边界的ALE追踪方法;对在解决带自由液面复杂流动问题中与ALE技术密切相关的网格生成和自动更新技术给出了简要概述并讨论了3种不同的网格生成与自动更新方法,讨论了用经典的有限元方法模拟带自由液面液体流动问题时非物理振荡产生的原因并分析了两种消除非物理振荡的途径,重点讨论了迎风格式并详述了迎风有限元的发展,评述了几种将ALE描述和迎风格式相结合的ALE迎风有限元法的最新进展,并展望了该领域进一步研究的方向.

非线性晃动问题的 ALE 边界元方法

利用ＡＬＥ（任意的Ｌａｇｒａｎｇｅ－Ｅｕｌｅｒ）边界元方法数值求解了具有自由液面的非线性晃动问题，即受外力激励下流体的非线性振动问题。把ＡＬＥ有限元方法的思想应用到边界元方法中，得到了ＡＬＥ边界元方法。对于自由液面的非线性动力边界条件，应用Ｇａｌｅｒｋｉｎ加权方法进行了有限元数值离散。为了增加求解精度，对动力边界条件提出了增加误差修正项的数值求解方法。对时间变量采用Ｎｅｗｍａｒｋ方法进行离散。推导了系统非线性方程的预测－多次校正法迭代格式。进行了算例分析与比较，得到了令人比较满意的结果。

TLD-结构非线性耦合问题及其动力学特性研究

本文利用数值方法研究一种新型的被动阻尼器即调谐式液体阻尼器 (简称TLD) ,这种阻尼器主要依靠刚性容器中的浅水液体的晃动来改变结构的动力学特性进而达到消耗结构振动能量的目的。推导了一种基于ALE(ArbitraryLagrangian_Eulerian ,即任意的拉格朗日_欧拉 )描述下的带有自由液面不可压液体与运动结构非线性耦合问题的一种有限元数值计算方法。在时间域上采用分步格式计算 ,这种方法与混合插值方法比较其优点是速度和压力可使用同阶线性插值 ,给数值计算带来很大方便。将所得到的方法应用到结构与TLD(调谐式液体阻尼器 )装置之间的耦合问题 。

三维液体非线性晃动动力学特性的数值模拟

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Arbitrary Lagrangian-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性特性。通过数值模拟结果与实验结果的比较，证实了本文方法的可靠性与有效性。

非线性流固耦合问题的ALE分步有限元数值方法

推导了一种基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,即任意的拉格朗日-欧拉)描述下的带有自由液面不可压液体与运动结构非线性耦合问题的一种有限元数值计算方法。在时间域上采用分步格式计算,这种方法与混合插值方法比较其优点是速度和压力可使用同阶线性插值,给数值计算带来很大方便。将所得到的方法应用到结构与TLD(调谐式液体阻尼器)装置之间的耦合问题,数值计算结果验证了本文所推导的方法。

三维液体非线性晃动及其复杂现象

主要讨论三维液体非线性晃动问题 。将ALE（任意的拉格朗日-欧拉）运动学描述引人到Navier-Stokes方程的分步有限元计算格式中;在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式,利用Galerkin加权余量方法得到了系统的有限元离散方程;推导了考虑表面张力效应时有限元边界条件的弱积分形式;模拟了三维液体的非线性晃动问题,得到了一系列三维液体非线性晃动的复杂现象.进一步模拟了考虑表面张力效应以及在微重力环境下三维液体的非线性晃动,揭示了考虑表面张力效应以及在微重力环境下液体非线性晃动的重要特征.井将所得结论与现有的实验结果进行了比较.从而证实了该方法的有效性与正确性.

ALE有限元方法研究及应用

将 ＡＬＥ（Ａｒｂｉｔｒａｒｙ Ｌａｇｒａｎａｇｉａｎ－Ｅｕｌｅｒｉａｎ）描述引入到有限元方法中，从而使有限元方法在解决大范围自由移动边界问题，特别是液体大幅晃动、流－固耦合、加工成型、接触、大变形等问题时获得极大成功．本文综述了ＡＬＥ有限元方法的研究现状以及在不同领域的应用，并对今后的研究及应用做了展望．

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.

低重力环境下三维液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力环境下三维液体非线性晃动问题。采用ALE (任意的拉格朗日 欧拉 )运动学描述跟踪自由液面 ;对于ALE描述的Navier Stokes方程 ,在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式进行数值离散 ,在空间域上利用有限元方法进行数值离散 ;推导了考虑表面引力效应时有限元边界条件的弱积分形式 ;给出了表面张力的数值计算公式。模拟了考虑表面张力情况下圆筒型贮腔中液体的非线性晃动 ,并得到了贮腔壁面处自由液面位置变化的时间历程、作用在贮腔上的晃动力变化的时间历程等非线性动力学特性。揭示了微重力液体非线性晃动的重要特性并将所得结论与现有的实验结果进行了比较。

带自由液面Navier-Stokes流动问题的ALE分步有限元方法

将任意的拉格朗日 欧拉 (ArbitraryLagrange Euler,简称ALE)描述引入到Navier Stokes方程中 ,以速度和压力为基本变量 ,在时间域上采用分步求解格式 ,利用Galerkin加权余量法推导了分步格式的ALE有限元数值离散方程。并对带有自由液面的Navier Stokes流动问题的定解条件进行了分析讨论。最后利用所得到的ALE分步有限元方法对二维及三维不可压粘性液体大幅晃动问题进行了算例数值模拟 。

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.

携带晃动燃料柔性航天器姿态机动中的同宿环分叉研究

本文研究了带液体晃动和柔性附件的耦合航天器系统在液体燃料耗散和柔性附件扭转振动的作用下,经历从最小惯量轴到最大惯量轴姿态机动中的混沌动力学行为。将液体晃动等效为球摆模型并由此建立了带柔性附件充液航天器多体耦合系统动力学模型。首先推导出耦合系统动力学方程并采用Melnikov积分预测受扰系统稳定与不稳定流形是否横截相交,得到了参数形式表达的混沌运动解析判据,这对航天器的设计有重要的指导意义。研究发现,混沌的发生依赖于刚体形状,阻尼比,充液比和扭转振动频率。此外,在经过被动再定向姿态机动后,由于液体晃动的本质非线性特性,充液航天器最终将进行大章动角的周期极限环运动而非绕着最大惯量轴自旋。

微重力环境下刚液耦合系统液体晃动混沌现象研究

微重力下,柱形贮箱内液体晃动的速度势模态和表面位移模态难以解析表达,为揭示液-刚耦合运动的非线性特性,不失一般性地用常重力下液体晃动的速度势模态和表面位移模态近似表示微重力下液体晃动的速度势模态和表面位移模态.用泰勒级数展开法分析了微重力下柱形贮箱内的液体晃动,运用Lagrange方法导出了微重力下贮箱内液体与结构耦合系统的无量纲动力学方程组,并用Matlab软件对该方程组进行数值计算,发现当系统稳定时,面内、外模态分别具有同类的稳态动力学行为,包括静止、周期运动、准周期运动和混沌运动;在不同的外激励参数下,面内、外模态的稳态动力学行为发生变化.

液体大幅晃动情形的航天器刚液耦合动响应仿真分析

基于任意拉格朗日-欧拉有限元(ALE)方法处理液体大幅晃动问题,并系统地建立了航天器刚-液耦合动力学的数值模型。通过液体受惯性力、刚体受流体作用力与力矩来实现系统的耦合,采用交错算法对液体晃动模块与刚体动力学模块进行迭代求解。将刚-液耦合系统的数值计算结果与物理试验及液体刚化计算结果进行了比较,验证了本文方法的适用性和准确性。成功通过数值仿真观察到耦合系统中贮箱横向振动的非线性软弹簧特性、液体的高阶模态响应,并分析了液体晃动对耦合系统的影响。

圆筒形贮腔中微重力液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力液体在圆筒形贮腔中的非线性晃动问题。将 AL E(任意的拉格朗日 -欧拉 )运动学描述关系引入到 Navier- Stokes方程中 ,在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式 ,利用Galerkin加权余量方法推导了系统的有限元数值离散方程 ;推导了考虑表面张力效应时有限元边界条件的弱积分形式。推导了自由液面上法向矢量的计算公式。模拟了圆筒形贮腔中低重力液体的非线性晃动 ,并得到了自由液面、波高变化、压力响应等非线性动力特性。揭示了微重力液体非线性晃动的重要特征并将所得结论与现有的实验结果进行了比较。