弹性结构与晃动液体耦合系统的动力特性分析

基于弹性波传播理论,构造液体晃动的等效弹性体模型,将液体晃动问题归结为弹性体动力问题,建立位移-压力格式的流固耦合方程,采用静态缩聚技术求解流固耦合特征值问题。在此基础上,推导地震条件下的流固耦合系统有限元模型。对储液容器的特征值问题和动态响应问题进行了实例分析和计算,算例结果验证了方法的正确性与有效性。

液体大幅晃动充液航天器分数阶滑模姿态机动控制

研究部分充液航天器存在系统参数不确定、外部未知扰动、液体燃料大幅晃动的姿态机动控制问题。首先,将大幅晃动的液体燃料等效为运动脉动球模型,建立刚-液耦合航天器动力学方程;其次,针对充液航天器姿态稳定问题,提出一种具有固定时间收敛的分数阶非奇异快速终端滑模算法;同时,设计扰动观测器来估计系统的综合扰动,并且利用径向基函数神经网络来估计液体大幅晃动引起的扰动;设计Lyapunov函数分析并证明系统固定时间稳定性;最后,通过对比的仿真结果验证本文提出控制策略的可行性和有效性。

液罐车防波板对液体纵向晃动及车辆动力学的影响

为研究液罐车防波板对液体纵向晃动及车辆动力学的影响,进行液罐车的液体纵向晃动受力预测及动力学分析。首先基于计算流体力学(CFD)软件FLUENT对罐体施加纵向加速度激励,获得不同充液率下有无防波板的液体纵向晃动力和晃动力矩。利用仿真数据,训练得到有无防波板的罐内液体纵向晃动Elman神经网络预测模型,以此建立一个简化的双轴液罐车整车纵向动力学模型。通过模型直线制动工况的仿真,考察防波板不同布置方式下制动距离的响应。结果表明:Elman神经网络预测模型可以有效地预测有无防波板的罐体受力;罐体内设置防波板可以减小车辆制动距离,且防波板两头小(等间距)中间大的布置方式的制动距离较小,有利于液罐车的纵向制动稳定性。

弹性膜对部分充液罐车内液体晃动的抑制效果研究

为了提高液罐车的制动性能和侧倾稳定性极限,建立了流固耦合模型,研究了弹性膜对部分充液罐车内液体晃荡的抑制效果.进行了实验室实验,实验结果验证了数值模型的有效性.验证后的模型被进一步用于研究不同的弹性膜配置对晃荡响应的影响,如液体载荷传递、晃荡力、俯仰力矩和罐壁压强.研究中考虑了两种不同的储罐配置,即没有任何阻尼装置的储罐和具有各种弹性膜组合的储罐,以进行比较.结果表明,添加弹性膜可以显著限制液体的运动,从而显著降低由晃动引起的俯仰力矩,这将提高罐车的制动性能和侧倾稳定性极限.

带刚性防波板罐体内液体晃动的响应分析

部分充液罐体内的液体在外部激励的作用下容易出现晃动现象,由液体晃动产生的附加力和力矩会对载液罐车产生不利影响。为了避免液罐车制动时其罐内液体产生较大幅度的晃动,提出了几种类型的防波板,并研究了防波板及其几何参数对液罐车内液体晃动的影响。首先,建立了基于有限体积法的液体晃动的数值模型。其次,对液体晃动现象进行了一系列的实验,通过将实验获得的液面波形与同等条件下数值模拟获得的结果进行对比,验证数值模型的有效性。最后,将验证后的数值模型用于分析防波板的几何参数对液体晃动响应的影响。研究结果表明,开孔防波板不仅可以有效降低罐内晃动响应参数的峰值,还可以明显缩短罐内晃动液体达到稳定的时间;防波板的开孔位置和孔的数量在车辆制动过程中对罐体内液体晃动引起的纵向力的峰值影响差别不大,但是对液体晃动引起的俯仰力矩的峰值的影响比较明显;晃动响应参数峰值的下降率会随着充液高度的增加呈先下降后上升的趋势,液体晃动引起的俯仰力矩的峰值取得最大值时,防波板对罐体内的液体晃动的抑制效果最差。

液罐横截面形状对液体晃动影响分析

在Ansys Fluent软件中建立了不同横截面的液罐二维仿真模型,用准静态模型法和频率验证法来验证仿真模型的有效性。基于Fluent软件,计算出不同充液比下,不同横截面液罐产生的侧向力、侧倾力矩和液体晃动的固有频率。结果表明,基于Fluent的仿真法计算出的侧向力和侧倾力矩的峰值显著大于准静态值。本文所提出的优化液罐能有效降低液体晃动产生的侧向力和侧倾力矩,并能提高液体晃动的固有频率。

挡板结构与充液率对液体晃动的影响

箱体晃动会使储液箱内液体的自由表面发生飞溅现象,而液体在储液箱内的飞溅会导致壁面受到高度局部冲击力,造成储液箱的结构损坏。为了研究储液箱内自由液面晃动规律,避免储液箱内液体晃动带来的风险,搭建了液体晃动模拟实验平台,模拟挡板固度比和储液箱内自由液面高度对储液箱内液体晃动的影响。结果表明:挡板固度比增大、储液箱内自由液面高度降低可以显著降低由于储液箱内液体自由表面的飞溅产生的壁面局部压力。研究结果为储液箱的结构设计和优化提供理论依据。

圆环筒贮箱液体绕横轴的有效转动惯量

航天器贮箱内液体绕横轴和纵轴的有效转动惯量参数是飞行控制系统仿真分析的重要基础,本文分析整理了航天器圆环筒形平底贮箱内液体的有效转动惯量计算方法,依据自由液面平底圆环筒贮箱平动和绕质心横向转动激励下的液体晃动力与力矩的解析表达式,推导了激励频率趋于无限大时,液体平动晃动合力作用点所在位置和绕质心的有效转动惯量表达式,并在平底圆筒条件下利用移轴定理,验证了与液体惯性中心所在位置和绕惯性中心有效转动惯量的一致性。分析了贮箱深度和内、外径比对液体转动惯量的影响规律,补充完善了液体转动晃动特性的理论分析成果。

喷雾机药罐液体纵向晃动等效力学模型建立与应用

针对高地隙自走式喷雾机在复杂工况下,药罐液体发生的纵向晃动对整机平顺性及作业质量影响难以探明的问题,基于液体晃动动力学特性及机械模型等效准则,建立了可描述药罐液体纵向晃动的弹簧-质量-阻尼等效力学模型,并利用力学等价原则,对模型参数进行了求解。应用Fluent流体仿真软件建立罐内液体晃动仿真模型,并通过台架实验验证了其仿真结果能够反映真实的液体晃动冲击作用。应用Matlab/Simulink软件,建立等效力学数值解析模型,结合Fluent仿真结果对比分析了充液比为0.1、0.5、0.9时液体纵向晃动作用在容器壁的力矩变化规律,验证了所建等效模型的准确性。将所构建的等效力学模型应用于喷雾机垂向动力学特性分析,得到药液晃动和药液质量变化对整机行驶平顺性有较大影响且充液比为0.8时整机行驶平顺性较差的结论。

高地隙喷雾机药箱液体晃动的等效力学模型研究

药液晃动是导致高地隙喷雾机侧倾失稳的重要因素。为准确预测药箱内液体晃动行为,本文提出一种单摆-质量-阻尼等效力学模型来模拟药箱内液体晃动行为。首先基于Adams虚拟样机仿真模型输出药箱所受随机加速度激励,并以此激励在Fluent中建立药箱液体受迫晃动模型,进行数值模拟液体晃动,获得了冲击力和冲击力矩与随机加速度的关系;然后对矩形截面药箱液体晃动进行动力学和流体力学分析,获得等效力学模型的相关参数,建立了MATLAB/Simulink系统仿真模型;最后通过Fluent验证了系统模型在充液比0.5时的可靠性。结果表明本文所建立的等效力学模型能够较准确地模拟液体晃动行为。

考虑药罐液体晃动的高地隙喷雾机底盘悬架优化设计

针对高地隙喷雾机作业工况复杂,罐内药液晃动及质量时变导致的整车行驶平顺性难以保证的问题,基于液体晃动动力学特性和机械模型等效准则,建立了喷雾机液—固耦合下的底盘非线性垂向动力学模型,应用多目标遗传算法对喷雾机底盘悬架系统参数进行了优化,得到了不同路面及充液条件下的悬架刚度、阻尼最优参数矩阵。优化结果表明,最优悬架参数下的整车车身垂向加速度、侧倾角速度、俯仰角速度及车轮动载荷较优化前分别降低27.5%、16.4%、25.8%及17.6%。搭建喷雾机整机试验平台,开展两种典型路面工况条件下的喷雾机整车试验。试验结果表明,与初始参数条件下的整车平顺性评价指标相比,悬架最优参数条件下的车身垂向加速度分别降低了15.58%与18.72%,车身侧倾及俯仰角速度均降低10%以上。研究结果可为包括喷雾机在内的罐体类车辆悬架设计、参数优化及控制提供参考。

弱模型依赖的运载火箭液体晃动自适应控制方法公开

针对运载火箭的不稳定液体晃动难以设计的问题,将晃动运动方程的描述视为一种与火箭箭体刚体存在关联且具有晃动阻尼特征时变的力矩干扰。在不完全依赖液体晃动运动精确模型的基础上,利用扩展状态观测器估计火箭箭体的总干扰力矩并提取晃动频段干扰力矩时变信息,对晃动干扰力矩进行补偿卸载,以实现火箭的稳定飞行。在典型动力学模型基础上,设计了依据晃动频率等信息自适应控制律,实现了在线实时晃动干扰力矩卸载补偿。仿真结果表明了该方法的有效性。

内置垂直格栅矩形TLD水箱液体晃动特征的CFD数值模拟

为研究内置垂直格栅矩形TLD(Tuned Liquid Damper)水箱在外加水平激励下液体的晃动特征,文章基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,建立了相应的TLD水箱模型,并利用FLUENT软件进行液体晃动的力学性能数值模拟。将文章CFD数值模拟结果与已有类似试验的实验数据进行对比分析,进一步验证了CFD数值模拟结果的正确性。研究结果表明:①随底部水平外激励幅值的增加,液体晃动非线性逐步加剧,液体晃动幅度、阻尼比增大,无量纲水平控制力最大值逐步减小;②把垂直格栅放置在液体一阶晃动模态的归一化最大振幅处,能够有效地抑制液体晃动的非线性现象,垂直格栅放置位置越靠近水箱中部,TLD系统阻尼比越大;③随着TLD系统的水深比增大,内置垂直格栅构件的布置位置和尺寸相同时,TLD系统的阻尼比逐渐减小。

考虑液体大幅晃动充液航天器的自适应非奇异快速终端滑模控制

针对考虑液体燃料大幅晃动的充液航天器进行姿态机动控制,研究控制系统中存在系统参数不确定、外部未知干扰以及测量不确定的充液航天器姿态控制系统,设计了一种自适应非奇异快速终端滑模控制器。将大幅晃动的液体燃料等效为运动脉动球模型,建立了液体大幅晃动航天器动力学方程。针对充液航天器姿态稳定问题,设计具有有限时间收敛且能避免奇异点的非奇异快速终端滑模面,使充液航天器可以快速达到姿态稳定;与此同时,设计自适应更新律估计集总扰动的未知上界。Lyapunov稳定性分析表明,在系统参数不确定、外部未知干扰、测量不确定和大幅液体晃动的影响下,所提出的自适应非奇异快速终端滑模控制能够保证系统的快速收敛特性,仿真分析验证了所提出控制器的有效性。

液罐车内弹性挡板对液体晃动的响应分析

液罐车作为石油等危险化学品的主要运输工具,在转向行驶过程中,由于罐体内液体晃动产生的附加力和力矩,相比较于传统的运输固体货物的货车,液罐车更容易发生侧翻事故,因此,研究抑制罐内液体的晃动具有重要的意义。在传统刚性防波板的基础上研究了弹性防波板对液体晃动的抑制作用,采用OpenFOAM等软件建立了液体-弹性防波板耦合作用下的液体晃动模型。研究了在充液比为50%下,液罐车在受到斜坡阶跃加速度激励时,弹性防波板的相对长度(H/R,防波板的高度与罐体半径的比值)和厚度对液体晃动的影响。研究结果表明:弹性防波板的几何参数对液罐车的液体载荷转移量、横向晃动力和侧倾力矩均有明显的影响;弹性防波板具有很好的抑制液体晃动的作用,从而减小有液体晃动产生的作用在罐体上的附加力和力矩,进而提高液罐车的安全稳定的运行。

液体晃动降低半挂液罐车行驶稳定性

为研究液体晃动对半挂液罐车行驶稳定性的影响,针对罐体内液体的横向晃动问题,运用势流理论建立液体晃动的控制方程,采用Galerkin方法求解该方程,并求解液体受迫晃动对罐体的作用力,根据等效原则,建立液体受迫晃动的等效力学模型,在考虑液体质心的横向移动产生的附加力矩和液体动压力对罐体产生的作用力基础上,结合半挂车的刚体模型,建立了半挂液罐车数学模型。对液体和固体2种货物,通过阶跃转向和双移线2种工况对比仿真试验,分析了液体晃动对半挂液罐车行驶参数和车辆失稳形式的影响。仿真结果表明,在阶跃转向时,液体晃动对车辆的侧倾角影响较大,降低了车辆的侧翻速度阈值,而对其他运行参数影响较小;在双移线工况时,液体晃动加剧车辆的侧向加速度和铰接角的波动,使车辆横向摆振明显;在充液率k=1.2附近,随着车速的增加,车辆先表现为摆振失稳,再发生侧翻,而在接近满充液率(k=1.9)情况下,随着车速的增加,车辆直接表现为侧翻事故。该文为半挂液罐车稳定性控制的研究和安全行驶提供参考依据。

液罐车罐体内液体横向晃动研究

为研究液体晃动对液罐车行驶稳定性的影响,针对罐体内液体的横向晃动问题,运用势流理论建立了液体晃动的控制方程,并采用Galerkin方法进行了求解;根据等效原则建立了罐体内液体晃动的弹簧-质量-阻尼等效力学模型,通过与试验数据的比较,验证了文中的求解过程及建立等效模型方法的正确性。运用建立的等效模型,通过具体算例分析了液体晃动特征频率和等效模型参数随充液比的变化关系、车辆的侧向加速度和充液比对罐体的横向作用力和力矩的影响。结果表明:在液体晃动中,第一阶晃动质量起主导作用,在精度要求不高的情况下,可以考虑只建立一阶等效系统;液体晃动第一阶特征频率随充液比的增加而增加,第二、第三阶特征频率随充液比的增加先减小再增加;罐车转向运动时,充液比在λ为0.8-1.0时液体晃动最剧烈,并且液体对罐体的作用力和力矩均随侧向加速度的增加而增加。

液体晃动有限元模态分析及试验研究

通过试验分析和数值仿真,研究了水平圆柱形贮箱内液体横向晃动特性。分析了贮藏箱在各种充液比下液体的晃动特性,利用扫描式激光测振仪结合试验设计较好地解决了液面波形直接测量的问题。通过有限元软件Ansys较好地模拟出液体低阶晃动振型和高阶局部振动情况,并通过虚拟质量法校核液体横向晃动低阶频率值。将有限元计算结果与试验实测结果进行了比较,发现两种方法对比研究能较好地解决这类液体系统模态分析问题。

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。

航天器贮箱内液体晃动阻尼研究(一):理论分析

在理想流假设及线性化的自由表面边界条件的基础上,对刚性容器中液体小幅晃动进行了流体相似律的研究。得到了晃动的固有频率及各部分阻尼随特征长度、特征运动粘性系数以及特征重力加速的变化关系。此外还分析了壁面阻尼,受污染的自由液面阻尼以及液体的内部阻尼这几部分晃动阻尼的相对关系,以及它们随各个特征参量的变化情况。分析发现各部分的晃动阻尼比取决于一个无量纲参数,内部阻尼所占的比例随着运动粘性系数的增大、特征尺寸的减小、特征重力加速度的减少而增大,因此在某些情况下内部阻尼不可忽略。