非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型

针对非轴对称贮箱液体晃动问题,从一般意义上推导了作三维运动的任意三维贮箱内液体晃动的等效力学模型,采用有限元方法建立计算等效力学模型参数的数值算法,利用矩阵相似变换的性质分离液体零频以消除液体刚度矩阵的奇异性,从而将等效力学模型参数的计算归结为广义特征值问题和线性代数方程组的求解,具有较高的计算效率。通过非轴对称贮箱液体晃动的算例说明,不同的等效晃动方向可能不正交,晃动平面可能不过液体质心,因此非轴对称贮箱液体晃动的等效力学模型比轴对称贮箱液体晃动的更加复杂。最后以三棱柱形充液贮箱为例,采用商用CFD（计算流体动力学）分析软件FLOW-3D验证了在贮箱作典型三维运动时等效力学模型的有效性。
     

水下固体火箭发动机尾流场计算

采用了二维定常气流场模型和轴对称理想水流场模型,对水下工作固体火箭发动机尾流场进行了耦合数值求解。考虑了高温燃气与水介质之间传热、汽化等对内部气体流动的影响,数值模拟了尾流场中压强、温度在发动机尾流场中沿轴向、径向的分布规律和特征及参数变动对喷管性能的影响,所获得的流场压强、温度分布规律可为水下工作固体发动机设计提供依据。     

三维正交异性材料旋转体热结构分析方法的改进

在轴对称温度场和轴对称分布载荷作用下,由三维正交异性材料制造的旋转体的应力、应变计算是一种非轴对称问题。采用二维轴对称力学模型求解是比较粗糙的,不能令人满意。采用三维有限元法求解则计算工作量很大,划分单元体等方面也比较复杂,因此也不够理想。本文利用物体形状的轴对称性,采用半解析有限元法来求解这个非轴对称问题。根据三维正交异性材料的特点,本文分析了方程组的偶合特征,提出了大幅度降低节点自由度的方法,从而简化了计算工作。为三维正交异性材料旋转体的热结构分析提供了一个较为满意的方法。     

固体推进剂/衬层界面裂纹的界面层模型有限元分析

建立了固体推进剂/衬层界面裂纹的界面层有限元模型,该模型将界面层划分成3个区域,每一区域内采用特定函数表示材料初始弹性模量的分布。应用软件ABAQUS划分网格并采用子程序USDFLD定义界面层内梯度材料的初始模量,计算得到了法向和剪切位移加载下的应力应变场和应力强度因子。计算结果表明,界面贮存时间延长时,裂纹尖端附近整体应力及应力强度因子明显减小,而应变最大值略有增大。该模型的建立及计算结果对求解固体推进剂/衬层界面裂纹问题有一定的工程意义。     

空间卫星红外辐射灵敏度分析

考虑卫星本体表面包覆绝热材料的实际物理状态,根据数值传热学和有限容积法建立了目标表面温度场和红外辐射计算模型.建立卫星结构模型,基于热控涂层性能退化,提出红外辐射灵敏度概念,并建立了卫星红外辐射灵敏度计算模型.对在轨飞行卫星的瞬态温度场进行数值模拟,与遥测数据对比分析.最后,分析了空间卫星的红外辐射和红外辐射灵敏度.结...     

脉冲等离子体推力器羽流三维粒子模拟

以脉冲等离子体推力器(PPT)羽流为研究对象,基于单元粒子法和直接模拟蒙特卡罗法,建立三维物理模型,模拟羽流瞬态流动.假定电子等温流动将其动量方程简化并离散,运用交替隐式法求解等离子体电势.通过与实验数据和轴对称仿真结果对比验证仿真模型,分析流场中电势、浓度分布随时问变化情况.研究表明,本文所建模型能在平行和垂直于电极的两个甲面内有效预测等离子体羽流参数,且仿真结果优于二维模拟.PPT羽流中推进剂返流质量份额极小.研究方法、结果对PPT羽流更深入研究具有参考价值.     

固体燃气控制阀内流场参数计算

对用于飞行器横向机动控制的固体推进剂燃气控制阀的内流场参数进行了初步分析。通过二维轴对称模型的数值求解，得到了控制阀在运动过程中活塞体两个典型位置的流场参数分布，可为工程研制提供参考。     

轴对称实心体的有限元分析

端头热应力分析的有限元法是属于轴对称实心体的有限元分析。对于轴对称实心体,采用线性三角环元在单元刚度矩阵计算中要遇到积分奇异性问题。而通常采用的近似积分方法对实心体靠近轴线上的点可能有较大误差,不能令人满意。1979年钱伟长教授提出了新的形状函数,避免了积分的奇异性。但是线性三角环元对轴对称实心体求解的正确性和合理性还缺乏证明。 本文论述了线性三角环元当采用精确积分时,对轴对称实心体求解也是正确和有效的。虽然计算单元刚度矩阵要遇到奇异积分,但是在形成总刚度矩阵,并引入轴线上节点径向位移u=0的条件后,也排除了奇异积分。因此最后的求解仍然是有效的和正确的。 最后通过简单算例证明:两种方法都收敛于解析解,计算精度能满足要求。     

纤维缠绕复合材料壳体的非线性大变形有限元分析

叙述了纤维缠绕复合材料固体火箭发动机旋转壳体与回转体构成的组合结构在轴对称大变形状态下的非线性有限元分析方法。给出了在轴对称大变形条件下的八结点等参单元和拟协调双曲壳单元的有限元列式。算例结果与已知的的理论符合较好。     

非轴对称斜切喷管内流场数值模拟

应用有限体积法建立了三维守恒型N-S方程组的数值求解器,对某非轴对称斜切喷管内流场开展了数值模拟计算,研究了斜切角度变化时引起的发动机推力及推力线偏转角变化。研究结果表明,在相同总压、总温条件下,喷管质量流量及发动机推力随斜切角增大而呈线性趋势减小,推力线偏转角在斜切角为0°时最大。     

辐射换热条件下空间薄壁圆管结构瞬态温度场、热变形有限元分析

对航天结构中常见的辐射换热条件下的空间薄壁圆管结构，构造了一种用于非线性瞬态温度计算的傅立叶－有限单元。圆管温度沿杆长用有限元离散，沿周向分布展成三角函数。圆管温度单元每个结点包含平均温度、余弦和正弦分布温度幅三个自由度，并且在每个时间步内实现了平均温度增量与沿截面温差增量的解耦。在结构热变形分析时圆管单元节点上既承受温度轴力，又承受截面温差导致的热弯矩。采用这种单元对非线性换热条件下的复杂空间结构进行离散可以较准确地反映结构的温度场与热变形。经与前人的解析解和三维有限元结果的验证，证明该单元是可靠的。对太阳能帆板梁与空间抛物面天线的热－结构分析说明这种新单元的应用价值。     

固体火箭发动机点火瞬时内流场轴对称数值分析

应用流体计算软件(FLUENT),通过UDF(用户定义函数)编程,考虑了辐射热量的影响,对固体火箭发动机点火瞬时内流场进行了轴对称数值分析,得出了点火瞬时的压强．时间曲线、各时刻的流场和推进剂燃面上的辐射热量。从具体数值上分析了辐射热量对点火瞬时的影响。研究结果表明,该方法可较好地预示点火瞬时的内流场和压强变化情况。     

中段弹道目标的温度场与红外辐射特性计算

红外辐射特性是预警系统探测识别弹道中段目标的重要特征之一。通过计算飞行时目标与太阳、地球的相对位置,确定目标的受外辐射照射状态。利用有限容积法计算锥形目标的三维温度场,采用双向反射分布函数（BRDF）计算目标表面对太阳、地球辐射的反射特性,并结合自身红外辐射,得到了不同类型中段目标红外辐射特性变化情况和空间分布情况。最后,分析了外部辐射环境和目标材料特性对目标红外辐射特性的影响,为中段预警探测提供了参考。     

Mechanical study on initial profile solution for inflatable reflector made of orthotropic material

The woven fabric membrane materials are widely used in space and terrestrial inflatable reflectors. However the material?s anisotropy makes the design analysis more complex. The deviation from the desired shape, so-called “W-profile error”, influences the precision of the membrane surface significantly. In this study, a model of an axisymmetric paraboloid surface using membrane theory is established for the purpose of facilitating the surface precision optimization. Analytical solutions for displacements of the reflector are derived. An iteration method of initial reflector profile solution is stated and a finite element (FE) software employed in the solution is presented. A case study is illustrated to make a comparison between numerical and theoretical analyses. Finally, the conclusions are drawn that the analytical method and the FE iterative method for initial profile solution are feasible and efficient.     

三维烧蚀内部热响应数值计算研究

对热解型碳化复合材料三维烧蚀内部热响应数值计算关键技术进行了研究。采用碳化层—热解面—原始材料层模型,将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过有限元法建立移动边界条件下温度场求解方程组,采用Gauss Seidel迭代法计算热解气体质量流量和温度场。同时,研究和分析了三维烧蚀移动边界处理方法以及动网格生成方法。由于每个时间步都需要网格重划,烧蚀热防护数值计算对存储效率和计算效率要求较高,本文研究了内部热响应计算中影响存储效率和计算效率的主要因素,并提出了相应的压缩存储方案和求解方案。计算结果表明,移动边界处理方法准确合理;存储方案的存储效率较高;保持刚度矩阵和形函数矩阵正定对称性可以加快温度场计算的收敛速度。     

小尺寸高温透波盖板双温区边界隔热性能试验研究

针对小尺寸高温透波盖板迎风面和上表面需同时满足不同热环境的要求,研究使用一组红外辐射加热试验设备,同时进行双温区边界条件下的非线性气动加热环境等效模拟试验。在辐射换热条件下,考虑试件结构导热及周围介质换热影响,采用数值模拟方法对试验方案进行可行性分析。参照计算结果,使用石英灯高温辐射加热设备,对试件进行隔热性能考核试验,完成了双温区边界条件下的热环境加载试验。试验数据与数值模拟结果吻合度较好,验证了数值模拟方法的可信性和有效性。     

Finite Element Modelling of Failure of a Multi-Material Target due to High Velocity Space Debris Impacts

Lagrangian finite element methods have been used extensively in the past to study the non-linear transient behaviour of materials, ranging from crash tests of cars to simulating bird strikes on planes. However, as this type of space discretisation does not allow for motion of the material through the mesh when modelling extremely large deformations, the mesh becomes highly distorted. This paper describes some limitations and applicability of this type of analysis for high velocity impacts. A method for dealing with this problem by the erosion of elements is proposed, where the main driver is the definition of element failure strains. Results were compared with empirical perforation results and were found to be in good agreement. The results were then used to simulate high velocity impacts upon a multi-layered aluminium target in order to predict a ballistic limit curve. LS-DYNA3D was used as the FE solver for all simulations. Meshes were generated using Truegrid.     

动网格在固体火箭发动机非稳态工作过程中的应用

利用Fluent流场计算软件、动网格技术、UDF文件,用DEFINE_GRID_MOTION定义燃面边界的移动,用DEFINE_PROFILE定义边界类型,考虑侵蚀燃烧、压强变化率对推进剂燃速的影响,对轴对称变截面固体火箭发动机的非稳态工作过程内流场进行了瞬态分析.得到了变截面轴对称固体发动机稳态工作过程中装药燃面推移图像,并得到了发动机内弹道参数分布云图及其随时间的变化规律.     

基于太阳模拟器的网状天线热变形仿真与试验研究

准确预示天线在轨温度并分析天线热稳定性的影响因素是改善天线性能的重要方面.文章通过构建网状天线热分析和热变形有限元模型,仿真得到碳纤维主反射面、支撑肋组件等结构在两种工况太阳侧照下的温度场以及热变形场;在真空低温环境下,利用太阳模拟器对网状天线进行热真空原位环境热变形摄影测量试验.对比表明,仿真模型计算结果与试验测量结...     

气体辐射与流场耦合对火星进入热环境影响

采用火星大气物理化学模型,求解带辐射源项的三维热化学非平衡N S方程,对探路者号火星探测器进入过程中的高温流场和热环境进行了数值模拟,分析了气体辐射与非平衡流场耦合效应对流场和热流的影响。结果表明：1)探路者号火星探测器流场热化学非平衡效应显著,CO 2 气体发生大规模离解,高度低至 28.5 km 仍存在热力学非平衡效应;2)热力学与化学非平衡效应的影响均与表面催化特性相关,完全催化热流要高于完全非催化热流50%以上;3)高温流场中的CO组分会产生较强的气体辐射加热,辐射热流与对流热流的比值为15%～45%,靠近肩部区域比值最大;4)气体辐射对非平衡流场的冷却效应使激波脱体距离减小;与非耦合方法相比,采用耦合方法得到的辐射热流降低约12%～25%。