大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).

抽油杆柱三维力学分析及设计系统(DARS)的开发和应用

根据实际井眼轨迹的特征及系统动力学理论建立了抽油杆柱在实际井眼中的动态仿真模型。应用有限差分法对不同抽油杆柱组合在实际井眼中各个节点的三维受力特征及位移做出了较详细的分析,在此基础上利用模块化编程技术开发了三维井眼条件下杆柱设计、力学分析及偏磨点位置预测软件,并对抽油杆柱组合的合理性、杆柱的受力特征、偏磨状况等进行了仿真。对现有抽油杆柱系统进行分析并提出优化方案。软件计算结果与实验井测试数据一致,体现了软件有较好的预测效果和较高的现场实用价值。

上海市苏州河吴淞路闸桥球铰断裂力学分析

采用两种裂纹计算模型对上海市苏州河吴淞路闸桥球铰存在的铸造缺陷问题进行了断裂力学分析，同时分析了闸门启闭和脉动水压力、闸桥车辆等动载对疲劳裂纹扩展的影响，并根据有限元应力分析和断裂力学校校的结果对吴淞路闸桥球铰作出了安全评估。

局部裂纹悬臂梁结构动力学特性试验研究和有限元分析

研究局部带裂纹悬臂梁结构的动力学特性,考虑带有2条贯通裂纹的悬臂梁结构,首先建立3种不同状态下带裂纹悬臂梁有限元模型,通过模态分析,仿真得到振动频率和三阶振型图。然后,将3种状态下的悬臂梁制成试验试件,并进行模态分析试验,将仿真计算结果与试验结果进行了对比,发现有限元数值仿真模型以及方法的准确性,基于验证后的模型和数值仿真方法,通过对大量不同参数模型的计算分析不同裂纹深度和不同裂纹位置对缺陷悬臂梁动力学特性的影响,并发现一定规律:带裂纹悬臂梁振动频率受裂纹的影响较大,阶数越高对频率的影响越大,然而对振型幅度的影响越小;随着裂纹的加深,对悬臂梁振动频率影响也越显著;裂纹距离对悬臂梁动力学特性也有一定影响,当距离悬臂端越近,悬臂梁第一阶和第二阶振动频率将受到较大的影响,而当裂纹远离悬臂端时,第三阶振动频率受到较大影响;对比三阶振动,裂纹对悬臂梁第一阶振动的影响最为显著,且当裂纹深度较小时,三阶振动频率随裂纹位置的变化均不明显。

单纯寰椎侧块螺钉固定选择性治疗不稳定寰椎骨折的生物力学分析

目的 :测试单纯寰椎侧块螺钉固定治疗不稳定寰椎骨折的生物力学稳定性,为临床应用提供理论依据。方法:取新鲜成人的完整枕骨及颈椎(C0-C3)标本6具,聚甲基丙烯酸甲酯包埋,在电子生物力学试验机上分别测定完整标本(A组),寰椎骨折合并横韧带离断+寰椎侧块螺钉固定(B组),横韧带、纵向韧带离断+寰椎侧块螺钉固定(C组)的前屈/后伸、左/右侧屈的运动变化以及前屈时C1-2的相对位移ADI(atlantodental interval)值,进行统计学分析,评价单纯寰椎侧块螺钉固定治疗不稳定寰椎骨折的生物力学稳定性,分析上颈椎韧带复合体的生物力学作用。结果:寰椎横韧带切断内固定后,载荷为50~90N时,A组与B组的ADI值、前屈、后伸相比,无统计学差异(P>0.05);当载荷为100N时,B组ADI值2.76mm、前屈11.66°、后伸14.05°,载荷为150N时,B组ADI值3.15mm、前屈15.27°、后伸16.25°,与A组相比均有统计学差异(P<0.05)。横韧带切断后,载荷小于100N时,B组左、右侧屈与A组比较差异均无统计学意义(P>0.05);载荷100N时,B组左侧屈7.51°,与A组比较差异无统计学意义(P>0.05),B组右侧屈8.43°,与A组相比存在统计学差异(P<0.05);载荷150N时,B组左侧屈8.79°、右侧屈10.67°,与A组比较均有统计学差异(P<0.05)。进一步切断纵向韧带,稳定性明显丧失,C组的ADI值和前屈、后伸、左右侧屈范围与A组相比均有显著统计学差异(P<0.05)。结论:单纯寰椎侧块螺钉固定治疗寰椎骨折,恢复C0-2之间的高度,即恢复纵向韧带的张力能够维持生理载荷下寰枢椎的稳定性。

中耳病变及人工镫骨形体研究

目的研究听骨韧带、肌腱硬化和切除以及人工镫骨置换对声音传导的影响。方法基于CT扫描数据,通过自编C++程序读取CT数据中体单元建立人耳结构几何模型,将几何模型导入PATRAN中赋予材料参数、设置关节接触面以及相应其他边界条件生成数值模型。结果利用人耳数值模型进行正常耳和病变耳的谐响应分析,得到正常耳和病变耳镫骨底板和鼓膜凸的振幅变化规律。并由此构建了套型人工镫骨。结论正常耳的模拟结果与实验测试结果吻合,证明了本模型准确性,可以模拟人传声功能。本模型模拟病变耳的计算结果可以从力学角度解释病变对声音传导的影响,为病变耳治疗提供参考。本文的套型人工镫骨较我国临床用的环型人工镫骨更吻合人耳的生理功能,其重建听力效果更好。

沿平板下落薄膜流动的研究综述

沿平板下落薄膜流动的时空演化一直是流体力学中一个相当活跃的研究领域.全面回顾了下落薄膜从长波近似方程到积分边界层方程,从线性稳定性分析到弱非线性分析,从首次失稳到二次失稳以及从有限振幅计算到直接数值模拟的发展历程,总结了下落薄膜已有的理论结果和数值结果.此外,还介绍了沿加热平板下落的薄膜流动的最新研究进展,概述了其它类型下落薄膜的研究情况.

旅客列车空调硬座车厢内热舒适性研究

空调车内气流组织研究是车厢内环境控制的基础,合理的气流组织可有效地改善乘客的热舒适性。采用k-ε湍流模型,对载客车厢内三维空气流场和温度场进行了数值计算,在此基础上利用PMV(Predicted MeanVote)指标分析了车厢内人体热舒适性。计算结果表明:在现有的条缝送风条件下,除车厢中部和两端外,车厢内气流分布比较均匀;由于回风口位于车厢两端,车厢中部和端部PMV分布不同,端部人体热舒适感较好,中部较差;座位区由于人员集中和受太阳照射的影响,温度较高,PMV值偏大;过道区温度适中,人体热舒适感较好。研究结果对空调车内气流组织优化设计和改善人体热舒适环境有一定参考价值。

90°弯管内流动的理论模型及流动特性的数值研究

从三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程出发,对90°弯曲管道内湍流流动进行数值模拟。网格划分采用六面体网格,湍流模型为RNGk-ε模型,在近壁区采用两层壁面模型进行修正,流场的计算结果与实验数据吻合较好。在此基础上,本文数值研究了来流方向对流场结构和流动特性的影响。得出在弯管流场中发生了分离现象,且随着来流侧滑角的增大,分离区范围增大。此外,随着来流从同一侧滑角变换至同一攻角时,横截面的二次流图像中也从具有两个对称主涡变成只具有一个主涡的现象。

拉应力条件下油气井套管腐蚀机理研究

结合断裂力学理论，通过慢应变拉伸等系列实验，探讨了拉应力加速油气井套管腐蚀的机理，认为腐蚀和碰伤会加快套管裂纹的孕育，断裂韧性和断裂强度因子的变化对裂纹的扩展起加速作用。慢应变拉伸实验结果表明，拉应力作用下，钢材在强腐蚀性地层水中的力学性能比空气中明显下降，而添加缓蚀剂后，力学性能得到改善；断口电镜扫描显示在地层水中断口的裂纹增多，同时断裂敏感参数也说明钢材在地层水中出现了应力腐蚀断裂特征；试样失重实验结果证明应力腐蚀速率比无拉应力时高出13.6％～24％，添加缓蚀剂可使应力腐蚀速率显著降低；能谱分析表明缓蚀剂通过迅速成膜减缓腐蚀对裂纹的扩展作用，较大幅度减缓了钢材的应力腐蚀速率，同时可以使钢材的力学性能的受损幅度降低。

湍流边界层流场与噪声实验研究

在重力式水洞中进行了水翼及半翼湍流边界层流场与噪声的实验研究 .测量了水翼及半翼边界层附近的湍流脉动速度场 ;测量了半翼翼型表面三点处的压力脉动及其辐射噪声 ,测量了水翼内部测点的噪声及外部辐射噪声 ,在不同流速、不同攻角、光滑和粗糙翼面的情况下都进行了测量分析 .试验结果发现 ,上述因素对模型的边界层湍流速度场有显著影响 ,1 5度攻角时 ,翼面附近湍流强度要比 0度时大得多 ,粗糙翼面附近的湍流强度比光滑的大 ,而湍流强度随来流速度的变化不大 ,u(来流 )方向和v方向的湍流强度量级相当 ;一般地 ,翼面压力脉动、翼内部噪声及外部噪声都是随来流速度的增大而增大 ,随攻角的增大而增大 ,粗糙翼面时的结果要比光滑翼面的大 .从压力脉动与噪声测量结果与相应的流场测量结果比较可知 。

预弯曲动力学防斜打快技术初探

防斜打直技术应该朝着防斜打快方向发展 ,为此 ,提出了一种新型的防斜打快方法———预弯曲动力学防斜打快技术 ,并利用专用软件系统SABHA对带有单弯螺杆钻具的滑动导向钻具组合在小井斜井眼中复合钻井时的导向力进行了仿真计算。结果表明 ,这种导向力具有明显的降斜特征 ,并远远大于钟摆力。现场试验进一步证实了这种方法的有效性。文中给出了复合钻井导向力计算方法和现场试验的有关数据。

起床过程中腰椎应力动力学响应

目的揭示起床过程中腰椎间盘的应力响应特征。方法根据实验数据,建立并验证考虑材料非线性和各向异性属性的全腰椎有限元模型,在此基础上模拟并计算人体从仰卧、起身、左转到坐在床沿完整过程中腰椎主要结构的应力分布和动态变化情况。结果起床过程中腰椎间盘纤维环、髓核及终板的应力大小和分布不断变化,各节段的应力集中在背侧,L4~5上最大,应力峰值出现在当躯干从仰卧起转过35°~62°之时,分别是坐稳时的3倍、仰卧时的17倍。结论 L4~5椎间盘后侧是损伤和退变高发区,在日常活动中实际承受的应力可能要比以往按静态测算的应力更高,影响范围也更大。动力学模拟能更全面深入地了解腰椎间盘的负载特点,为防治相关腰椎疾病提供科学依据。

稳定叶片对S弯进气道流场的作用规律研究

本文就稳定叶片对６０°或４５°攻角下Ｓ弯进气道内的气流流动作用规律进行了实验研究，稳定叶片被安放在进气道的进口处，且可以绕轴自由转动．结果表明，该叶片在气流流场中有两个自动稳定位置，气流对叶片没有造成气动力的合力矩．另外，在两个稳定位置下的Ｓ弯进气道出口分别出现了顺时针和逆时针方向旋转的固体式单涡旋流．

应用变域变分有限元法解平面叶栅反命题

反命题作为一种可变(未知)边界问题近年来得到了广泛的研究。本文给出了亚声速平面叶栅反命题计算的势函数变域变分有限元解法。变域变分通过把可变边界结合在变分泛函中,使其与求解流场的控制方程结合起来,从而使可变边界求解和流场分析可以完全耦合进行。本文针对亚声速平面叶栅的反命题,根据泛函的驻值必要条件,介绍了变域变分有限元方法的求解过程,最后给出了两个数值算例。这两个算例均采用四节点矩形单元的插值基函数,第一个算例用于检验程序的可靠性,第二个算例设计了一个给定叶面马赫数分布的叶型,并与试验结果进行对照。

一类热量可用能的热力学分析

基于热力学第二定律，对工程中一类热量的可用性进行了分析。

水和泥沙交界面上输运过程的数值研究

本文发展了计算海水和泥沙界面附近流场以及流体质点的渗透过程的数学模型。该模型将两个流动区域作为整体考虑,建立统一的控制方程组,并用有限差分法进行求解。其优点是在界面上不使用任何界面条件。通过分析数值结果,得到了流动的水平速度剖面、浓度和压力分布、流体质点的Lagrangian运动等。计算结果与现有实验符合得很好。

考虑血小板粘附性的血栓生长数学模型

对于上半空间无限大均匀血液在其底部血栓生长过程的一维数学模型,利用相似性解法求出的血栓的生长速度在初始时刻是无穷大,因而是无效的。该文从血小板在交界面上处于动态平衡状态出发,利用血小板的粘度系数,修正交界面上血栓的生长速度关系式,得出了血栓的生长速度为常数的行波解。

给水管网的能量需求建模及其节能研究

为了实现给水管网系统能量的供需平衡,对管网建模进行了研究。针对目前大多数给水系统更适合建立宏观模型的特点,提出了为给水系统建立具有较好精度的输入与输出非线性关系的神经网络宏观模型的方案。在某给水系统中的应用结果表明,该方案的实施能够获得较大的节能空间,为给水系统的能量供给提供节能依据。该建模方法具有普适性,可将其推广应用到其他给水系统。