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.

带多充液圆柱贮箱航天器刚-液耦合动力学研究

文中以在低重环境下带多充液圆柱贮箱刚性航天器中刚-液耦合方程的建立和求解为主要研究目的。推导航天器中充液圆柱贮箱内任意点的牵连运动方程,根据壁面边界条件给出了贮箱内液体牵连晃动势的表达式;利用第二类边界条件下的傅立叶-贝塞尔级数展开法对低重力环境下的弯曲自由液面处的复杂动力学边界条件进行处理,建立以液体相对晃动势的模态坐标和晃动波高的模态坐标为状态向量的液体耦合晃动力学方程,通过积分分别得到了耦合晃动力和耦合晃动力矩的解析式;运用准坐标系下的拉格朗日方程建立以航天器主刚体姿态坐标和轨道坐标为状态向量的刚体耦合运动动力学方程,进一步联立上述耦合方程得到航天器整体系统的刚-液耦合动力学状态方程;最后,编制出适用于带多充液圆柱贮箱航天器内刚-液耦合动力学计算的模块化计算程序,通过计算实例验证所编程序的准确性的同时,研究了携带多充液箱航天器系统贮箱布局、外激励方式对航天器刚-液耦合系统动力学特性的影响。

带轴向运动柔性梁附件航天器的刚-柔耦合动力学分析

针对当前航天器面向大型化、复杂化和精密化方向发展,为了提高航天器的使用寿命、运行精度和工作效率,考虑航天器主体和轴向运动柔性梁的刚-柔耦合作用是十分有必要的。基于Euler-Bernoulli梁理论以及刚-柔耦合建模方法,建立了航天器主体-轴向运动柔性梁刚-柔耦合系统的动力学模型。根据Hamilton原理推导出刚-柔耦合系统的动力学方程,采用分离变量法和振型叠加法求解耦合系统的动力学方程。利用四阶Runge-Kutta法进行数值计算。通过数值算例分析航天器主体半径、航天器主体面密度和柔性梁轴向速度对柔性梁横向振动以及对航天器姿态角的影响。

爆炸荷载下刚-柔耦合围岩支护结构二维平板动态损伤破坏特征试验研究

为探究爆炸冲击荷载下以橡胶水泥砂浆(RCM)作为柔性吸能材料的“刚-柔耦合”围岩支护结构的动态稳定性,通过搭建二维平板爆炸冲击试验系统,开展单体平板试件在中心起爆方式下和组合体平板试件在偏心起爆方式下的单孔爆炸冲击荷载试验;并从炮孔动态膨胀响应特征、剥落区形成机理和爆生裂缝扩展机理3个方面,探究“刚-柔耦合”围岩支护结构二维平板试件的动态损伤破坏特征。最后,从应力波传播和协调变形2个方面分析讨论“刚-柔耦合”围岩支护结构中多层材料间的耦合作用特征与围岩稳定性机理,进一步印证以RCM作为柔性材料的“刚-柔耦合”围岩支护结构降低围岩及其支护结构动力损伤的潜力。研究结果表明:随橡胶体积分数增大,平板试件整体的损伤破坏程度明显减小;尽管RCM单体平板试件的爆后炮孔直径和剥落区面积因橡胶体积分数的增大而有所增大,但RCM有效降低了组合体平板试件的爆后炮孔直径、剥落区面积和爆生裂缝总长度。平板试件在爆炸冲击荷载作用下主要受到爆炸冲击波与爆轰气体的共同作用,尤其在底板对炮孔的封闭约束下,炮孔中也因爆炸能量的瞬间释放形成了向上的聚能射流效应,进一步导致了V形爆坑剥落区的形成。在同一起爆方向下,当橡胶体积分数为60%时,R-R-H和H-R-R的裂缝长度总和最小;在同一橡胶体积分数下,相比于H-R-R,R-R-H的裂缝长度总和最大降低了46.25%。

哑铃型航天器刚-柔耦合动力学建模与仿真分析

为满足深空探测的需求,需要构建一种全新的哑铃型航天器.由于构型和质量分布的差异,传统"中心刚体+柔性附件"动力学模型将不再适用,因此必须针对该构型建立一种高效准确的动力学模型.本文基于小变形假设,利用浮动坐标法,采用多体系统动力学单向递推组集方法,建立了哑铃型航天器的刚-柔耦合动力学模型.该模型考虑了哑铃型航天器的轨道-姿态-变形之间的耦合效应,保留了全部变形高次耦合项.通过采用本文方法建立的"刚体-桁架-刚体"模型和已有的两种哑铃型航天器模型,对典型算例进行动力学仿真和比较.仿真结果表明,本文模型很好地反映了哑铃型航天器的刚-柔耦合动力学特性,末端物体的转动惯量将会影响系统的动力学响应,不能简单忽略.本研究将为哑铃型航天器的总体设计,特别是控制规律的设计,提供重要的技术支持.

充液挠性航天器时变滑模控制及振动抑制

针对存在外界未知干扰、参数不确定问题的刚-液-柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究.将液体燃料的晃动等效为球摆模型,挠性附件假设为欧拉-伯努利梁,建立了多体耦合航天器动力学方程.首先,设计了积分滑模干扰观测器,使其能够在有限的时间范围内对控制系统的集总扰动实现准确估计;其次,以此干扰观测器为基础,设计了一种时变滑模控制方法,该控制运用双曲正切函数;最后,结合光滑整形技术,设计出零振动指令光滑器,从而抑制液体晃动和挠性附件振动.数值仿真结果表明:本文所设计的控制方案具有可行性和有效性,多模态充液挠性航天器在姿态机动过程中所引起的残余振动可以得到有效抑制.

基于OpenFOAM的充液航天器刚-液耦合仿真

针对航天器姿态控制系统的设计需要,利用开源软件OpenFOAM搭建用于充液航天器刚-液耦合计算的仿真软件。在动边界问题中,推导出非惯性系下的N-S方程,避免了传统CFD软件中动网格法所带来的大量网格转换计算,提高软件计算效率。采用PIMPLE(pressure implicit with splitting of operators,semi-implicit method for pressure linked equations)算法搭建了晃动力求解模块,采用变步长龙格库塔法搭建了姿态运动模块,实现航天器的基于CFD方法的刚-液耦合仿真。利用该软件对相关算例进行了数值仿真,其结果与基于等效力学模型的刚-液耦合程序以及商业软件的计算结果吻合良好。

基于刚-柔耦合的反铲液压挖掘机工作装置多体动力学分析与仿真

以某型挖掘机为研究对象,建立其工作装置及挖掘阻力数学模型。针对土方、石方挖掘工况,采用压力传感器、位移传感器测得挖掘过程中各油缸的压力及位移,采用电阻应变片测出动臂与斗杆上各测点的应力。基于所获得的各油缸位移及压力,通过动力学分析计算载荷。使用有限元分析软件和动力学仿真软件建立挖掘机刚-柔耦合模型,并以各油缸位移曲线为驱动,得到动臂及斗杆上各点应力。仿真计算与应力测试的对比结果表明,对应测点的应力变化趋势基本一致,误差在15%以内。

航天刚-弹-液耦合系统的弹-液耦合研究

航天刚-弹-液耦合动力学中的弹-液耦合问题是关系到航天刚-弹-液耦合系统液固耦合机理研究和大规模液固耦合建模计算研究的重要课题。通过分析刚-弹-液耦合动力学拟变分原理的泛函,说明刚-弹-液耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合和弹-液耦合的特点。应用Lagrange乘子法,将无际边界条件纳入泛函中,通过识别Lagrange乘子,逐步说明弹-液耦合的机理。通过对泛函求驻值发现,无际边界条件由原来的先决条件转化为驻值条件,实现了从协调元到杂交元的过渡。通过分析泛函识别Lagrange乘子前后的驻值条件,明确了识别La-grange乘子可以有效地减少计算自由度。

带多充液圆柱箱航天器姿-轨-液耦合系统参数灵敏度分析

本文建立了带多充液圆柱箱航天器姿-轨-液耦合系统的全模态化动力学模型和一阶状态微分方程,构建了一种具有较高计算精度的半解析计算体系.针对该类耦合系统的动力学状态方程为典型非线性时变系统的特点,且考虑运用理论分析方法对系统进行参数灵敏度分析时所存在的困难,利用数值差分法,对带多充液柱箱航天器的姿-轨-液耦合系统进行参数灵敏度分析,并提出了利用幅值包络图描述系统响应函数灵敏度的方法.依据计算结果,给出耦合系统中各类参数对系统动态性能的影响因子,为指导实验分析和实际工程设计与计算提供一定的理论参考.

基于刚-柔耦合的C80型货车疲劳分析

为了能够预测C80型货车焊接结构危险部位及疲劳寿命,对车体日常维护提出针对性建议,以确保车辆服役期内的安全行驶。本文在刚-柔耦合动力学仿真的基础上,提取柔性体模态坐标时间历程,基于模态结构应力法校核车体关键部位焊接结构疲劳寿命。结果表明,浴盆端部底架大横梁与中梁焊缝疲劳寿命为416万公里,低于设计要求。针对该焊接结构提出了两种改进方案,其中方案二寿命提升240%,改进效果明显。模态结构应力法为焊接结构动态疲劳分析提供了新思路。

充液椭球形Cassini贮箱刚-液耦合晃动特性试验研究

针对火箭发生刚-液耦合晃动时,箭体产生的横向偏移和姿态偏转现象难以在地面有效模拟的问题,设计并提出了一种基于六自由度平台的地面刚-液耦合晃动实验装置及方法,介绍了该装置的基本结构系统、刚-液耦合晃动实现方法及流程。在不同激励频率和多组充液高度下,对无挡板贮箱的刚-液耦合晃动位移进行了试验研究,发现激励频率与刚-液耦合晃动位移之间满足三次多项式函数关系。此外,从液体晃动的被动控制角度出发,在相同工况下对比探究了薄膜浮板与环形挡板对液体晃动的抑制效果,并对两种挡板结构下的晃动位移差异进行了解释分析。实验结果表明:薄膜浮板在不同充液高度下的“频率-位移”曲线趋势基本一致;而环形挡板与初始液位高度保持水平时,其对液面晃动的抑制效果最明显。

刚-液-柔耦合结构湿模态试验与仿真分析

基于物理模型试验及有限元仿真实验的方法,研究了一种刚-液-柔固液耦合结构的模态特性。制作了实物物理模型,利用锤击法测量了该结构在三种不同充液水压下的湿模态固有频率特性及振型特征,发现该结构有很好的吸振作用。同时基于ANSYS Workbench软件平台,采用声固耦合算法对该结构进行了不同内外压力下湿模态的分析,研究了其固有频率与振型在不同内外压力下的变化情况。分析结果显示,对该结构进行模态分析时不可忽略流体的附加质量效应,内外压力的增大均会引起固有频率的降低。分析结果对相关结构的湿模态分析提供了参考。

刚-柔耦合多体系统动力学建模与数值仿真

柔性多体系统动力学传统的混合坐标建模方法忽略了变形位移的高次耦合变形量 ,是一种零次近似方法 [1 ] ,其适用范围受到限制。本文以中心刚体、柔性梁及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象 ,考虑了有粘性阻尼及风阻的情况。在柔性梁的纵向变形位移中计及了横向位移引起的轴向变形 ,并采用有限元方法和 Hamilton变分原理导出了系统的刚柔耦合一次近似的动力学方程。该方程充分计及了中心刚体的大范围运动与柔性梁的弹性变形运动的相互耦合 ,并采用一致的方法引入了阻尼因素。文中最后提供了一个比“动力刚化”问题更具有一般性的仿真计算反例 ,进一步说明了零次近似方法在处理某些刚 -柔耦合动力学问题时的缺陷 。

作大范围空间运动柔性梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的作大范围空间运动梁的刚-柔耦合动力学问题．从精确的应变-位移关系式出发,在动力学变分方程中,考虑了横截面转动的惯性力偶和与扭转变形有关的弹性力的虚功率,用速度变分原理建立了考虑几何非线性的空间梁的刚-柔耦合动力学方程,用有限元法进行离散．通过对空间梁系统的数值仿真研究扭转变形和截面转动惯量对系统动力学性态的影响．

基于变胞原理的舰炮装填机构刚-柔耦合动力学建模及误差分析

为满足大口径舰炮的发展需求,提出一种基于变胞原理的装填机构。利用变胞原理进行结构设计,并结合机构运动简图对其进行运动描述和原理分析。采用有限元离散方法,将柔性杆划分为若干梁单元,使用混合坐标系描述梁单元的变形,列出柔性杆的动力学方程。应用Hamilton变分原理建立整个装填机构的刚-柔耦合动力学方程,使用Adams和Ansys联合仿真,得到仿真结果:当系统高速大范围运动时,基于变胞原理的装填机构存在较大的供弹误差;在基于变胞原理的大口径装填机构的研究中,应考虑连杆的柔性变形对供弹精度的影响。

动力刚化与多体系统刚-柔耦合动力学

首先指出当前柔性多体系统动力学的大量工程研究背景，在回顾柔性多体系统动力学研究进展后指出动力刚化的现象揭示了刚－柔耦合的零次建模方法的局限，认为进一步深入进行柔性多体系统刚－柔耦合动力学的研究是多体系统动力学研究的新阶段。文末提出了刚－柔耦合动力学的研究任务。

中腹摆弹机构刚-柔耦合建模及摆弹误差分析

为改变传统大口径舰炮旁侧路的复杂供弹模式,提出了一种应用中心单线摆弹机理的中腹供弹方式。应用惯量等效法,对假设为刚体的中腹摆弹机构进行分析,获得了摆弹的初始动力学参量。基于一次近似理论,应用一致质量有限元离散化方法,将中腹摆弹臂划分为若干单元。采用弧坐标分量和笛卡尔坐标分量共同描述柔性摆弹臂的变形场及运动关系。应用Hamilton原理建立中腹摆弹机构的刚-柔耦合动力学方程。仿真结果显示:在高射速、大摆角的情况下,中腹摆弹机构存在较大的摆弹误差;在中腹供弹系统的研究中,应考虑摆弹臂的柔性变形对摆弹精度的影响。

一类刚-柔耦合系统的建模与稳定性研究

对于由中心刚体带有柔性梁附件组成的这一类简单刚柔耦合系统，目前文献广泛采用的ＥｕｌｅｒＢｅｒｎｏｕｌｉ梁模型中考虑的刚柔运动耦合项有严重的缺陷．本文对于物理本构关系线性的有限变形梁，分别采用微元法和变分法建立了该系统大挠度非线性动力学方程组．本文使用严格的方法来研究此非线性耦合动力学模型，采用能量动量矩组合方法构成Ｌｉａｐｕｎｏｖ函数，严格证明了此非线性系统平凡解的积分范数稳定性以及具有鲜明物理意义的最大模范数稳定性．本文对文献中引用的三类线性化模型，采用假设模态法，对中心刚体匀速转动时梁的振动作了数值仿真，进一步验证了本文的结论．上述结果，对选择刚柔耦合系统正确的动力学模型是有益的．

作大范围运动弹性梁刚-柔耦合动力学建模

利用弹性梁的变形理论和 Hamilton力学原理对作大范围运动弹性梁的刚 -柔耦合动力学建模理论进行了研究。分析了大范围运动对弹性梁的横向振动和纵向振动的影响 ,得到了大范围运动与弹性梁的中线耦合变形之间的耦合作用对该系统动力学性质有显著的影响 。