碳纤维复合材料壳体轴压稳定性分析与试验验证

针对碳纤维复合材料壳体轴压稳定性问题,提出了理论推导、数值模拟和试验验证相结合工程计算方法,获得了铺层相关参数对轴压稳定性的影响规律。基于层合板理论,计算了碳纤维复合材料壳体的等效弹性常数;以150 mm碳纤维复合材料圆筒为研究对象,通过壳体破坏性轴压试验,验证了理论计算和有限元数值模拟的正确性;计算了碳纤维缠绕角及增加0°铺层对复合材料弹性常数的影响规律。研究结果表明,通过引入修正系数k=0.4,理论计算结果与实际轴压破坏载荷较为接近;通过增加0°铺层数,能够大幅度地提高壳体刚度,且对刚度提升的贡献远大于所引起的重量增加。复合材料刚度是决定壳体临界轴压载荷的关键因素,固体发动机设计过程中增加材料刚度可有效提升其轴压稳定性。     

连接翼布局的非线性屈曲分析

以连接翼结构为研究对象,通过非线性有限元方法对其进行非线性屈曲分析,研究连接翼几何参数和载荷分布对结构非线性屈曲特性的影响规律。连接翼采用基于Co-Rotational格式的三角形平板壳单元进行建模,采用弧长法计算非线性屈曲的位移突跳现象以及后临界变形模式。研究结果表明连接翼典型的载荷-位移曲线模式包括刚度软化、位移突跳不稳定和刚度刚化三部分。连接翼夹角增大后非线性屈曲载荷因子逐步降低,但存在一个临界夹角,当角度超过临界角后载荷-位移曲线模式中的位移突跳不稳定阶段就不会出现。增加连接翼高度可提高结构的非线性屈曲载荷。在连接翼夹角不变条件下,减小下翼展长可有效提高非线性屈曲载荷,同时其载荷-位移曲线模式中的位移突跳不稳定阶段也将不存在。调整连接翼的载荷分布,将载荷更多地施加于上翼的同时减少下翼的载荷可提高结构的非线性屈曲载荷。     

整星热试验容器强度及稳定性分析设计

空间环境模拟器真空容器结构设计必须考虑外压载荷和设备载荷,进行详细的结构力学分析计算,使其结构安全可靠。文章采用有限元方法计算分析了容器的强度和稳定性,获得了复杂结构载荷下的应力和临界屈曲压力,在此基础上对容器进行了强度和稳定性评价,所得结果可为容器结构设计提供可靠的依据。     

复合材料格栅结构的强度分析(英文)

复合材料格栅结构是由连续纤维缠绕的斜向及环向肋和蒙皮组成的结构。对ANSYS软件进行了二次开发,分别采用层合板和层合梁单元模拟复合材料格栅结构的蒙皮和肋。根据复合材料格栅结构的几何特征及其载荷分布特征,采用周期对称有限元模型,分别以最大应力准则、最大应变准则和蔡-吴准则和Chang刚度退化准则对轴压载荷作用下的复合材料格栅结构破坏过程进行了强度预测,计算结果表明采用蔡-吴准则预测并结合Chang刚度退化准则的计算结果与试验结果的一致性较好。     

基于微振动隔离技术的平台载荷一体化设计

针对大口径高分辨率相机对卫星平台结构、安装包络、振动环境等方面的要求,提出了一种基于微振动隔离技术的平台载荷一体化设计与分析方法。通过在卫星平台与载荷安装基板之间的一体化结构中增加柔性连接单元,利用系统刚度和能量耦合的原理对一体化结构平台的系统性能进行设计和仿真分析,并在此基础上,开展了平台载荷一体化结构地面模拟试验研究。结果表明：文章提出的基于微振动隔离技术的平台载荷一体化设计在满足载荷安装要求的同时,还能够将卫星平台传递至载荷基板的振动响应衰减80%以上,从而有效地确保载荷的主要性能。     

三平测发模式下起竖臂对运载火箭地面风载的影响

为提高运载火箭地面风载条件对地面风场较大的发射场的适应性、降低运载火箭设计载荷、减轻火箭结构质量、提高运载效率,针对三平测发模式的特点,开展起竖臂对运载火箭地面风载的影响分析。采用基于广义位移和广义载荷的运载火箭地面风载计算方法,根据起竖臂的结构特点,量化分析竖臂刚度、支承油缸刚度、抱箍数量及位置因素对运载火箭地面风载的影响程度。起竖臂刚度、抱箍数量和位置对运载火箭地面风载影响较大,提高起竖臂刚度可使根部弯矩降低24.8%,增加Ⅰ级箱间段抱箍可使根部弯矩降低38%,而支承油缸刚度对运载火箭地面风载几乎没有影响。     

基于流固耦合航行体入水冲击数值模拟研究

针对航行体入水冲击过程中的流固耦合问题,利用任意拉格朗日 欧拉算法建立三维入水冲击数值仿真模型。首先,建立球体入水冲击数值模型,获取了入水过程中的冲击载荷和表面压力数据,通过与试验对比,探究网格密度、接触刚度耦合系数以及时间步长对仿真准确性的影响。结果发现,冲击区域网格密度和接触刚度耦合系数决定流固耦合接触刚度;冲击域的网状密度对冲击系数结果和入水速度变化有明显影响;耦合节点之间的接触刚度系数会影响局部压力峰值。最后,建立锥形头部圆柱体入水仿真模型,提出分段刚体计算截面载荷方法,研究不同速度下结构入水冲击加速度、速度、位移和截面载荷变化规律,与试验结果对比证明仿真准确性。     

非均匀刚度弹性边界结构优化设计及实验验证

为解决运载火箭地面试验过程中弹性边界刚度非均匀导致的实验误差问题,提出了基于刚度等效指标的非均匀刚度弹性边界优化设计框架。首先,针对不同载荷工况,对比真实弹性边界与均匀刚度弹性边界情况下主承力筒壳结构的边界响应,研究刚度等效指标的选取,用以表征结构刚度的非均匀性;然后,以刚度等效指标为设计目标开展非均匀刚度弹性边界结构设计,并给出不同工况下的最优结构设计;最后,基于轴压工况下的非均匀刚度弹性边界最优设计,加工制造非均匀弹性边界结构试件,开展非均匀弹性边界结构原理性实验。实验结果显示,真实弹性边界与结构优化设计的非均匀刚度弹性边界结构的力学响应吻合良好,证明了非均匀刚度弹性边界结构优化设计的可行性。     

热载荷下轻质复合结构件的应力和应变分析

复合结构件在固化和其它使用环境条件中,均受到热载荷的作用。这类结构的横向热膨胀系数(CTEs)大,刚度低;但平面的刚度高,热胀系数小。本文分析了典型的复合结构件,即空间天线反射器的曲面薄壳,由温度引起的应力和变形。     

一种航天器加筋锥壳结构轴压稳定性研究

研究了开口型截面桁条加强蒙皮锥壳结构的局部稳定性计算方法;并用平板/加筋圆筒极限轴压的有效宽度法计算其极限载荷,得出加筋锥壳结构局部稳定性和整体稳定性的分析方法。     

复合材料壳体轴压稳定性分析

利用有限元结构分析法,引入线性屈曲模态作为结构的初始几何缺陷,对复合材料壳体的轴压稳定性进行了非线性分析。将计算结果与线性屈曲分析及实验结果进行了对比,结果表明,由于初始缺陷等非线性因素的影响,结构的线性临界载荷高于非线性临界载荷,进行非线性分析是必要的。文中对壳体承受轴压能力进行了初步估计,可为复合材料壳体的稳定性工程设计提供参考。     

透镜式薄壁CFRP管空间伸展臂轴压屈曲分析及试验

对透镜式截面四层铺设薄壁碳纤维增强塑料(CFRP)管空间伸展臂进行轴压载荷试验,得到轴压临界屈曲载荷及屈曲特性。利用有限元模型进行线性特征值屈曲分析,并引入屈曲模态形式作为初始几何缺陷进行非线性屈曲分析,得到轴压下屈曲临界载荷及非线性屈曲特性,并与试验结果进行对比分析。结果表明初始几何缺陷对CFRP管轴压临界载荷影响较大,给CFRP管加入适当的几何缺陷可更有效模拟实际非完善体的屈曲载荷。进而对其材料厚度、层数和铺设角度进行参数分析,得到各参数对轴压临界载荷的影响程度及敏感性,本文对透镜式薄壁CFRP管空间伸展臂的设计和深入研究具有重要参考价值。     

长征八号运载火箭减载效果评估及验证（英文）

LM-8 inherited mature modules from other launch vehicles, adapting the overall design through the combination of engine throttling, wind compensation and load relief control, so as to reduce the aerodynamic load during flight. This paper proposes a rapid evaluation method for load relief performance, which takes launch vehicle's characteristics, wind field, control parameters, aerodynamic deviation and structure deviation into consideration, and provides a quick estimation method for load relief performance. The load relief performance of the LM-8 launch vehicle estimated by this method achieved 10%-20% in pitch and 20%-40% in yaw. The specific results are related to parameter deviation, the altitude of wind shear and the relationship between wind direction and trajectory angle. Simulation results for a typical case with six degrees of dynamic freedom of flight proves that the comprehensive load relief performance would be between 14% to 34%, which is in line with the aforementioned method. In addition, simulation results indicate that the more severe the wind shear is, the better performance of load relief can be achieved.     

基于自适应带通滤波的航天器正弦扫频试验数据处理方法

为解决传统STFT(Short Time Fourier Transform)方法因非同步采样引起频谱泄漏,造成频域曲线幅值降低,产生较大误差的问题,提出一种基于频域带通滤波的数据处理方法,通过在频域逐次移动带通滤波器的中心频率,获得信号中各个频率分量幅值的最大值。利用该方法对某载人航天器搭载的力学参数测量系统在整器正弦振动试验中采集的数据进行频谱分析,结果表明,该方法可有效获取力学参数测量系统各测点的频率幅值曲线,减少传统STFT方法产生的能量泄漏的影响。研究成果也可用于不依赖振动控制仪或无COLA通道的数据采集系统正弦振动试验的数据处理。     

固体火箭飞行静载荷计算的偏差使用方法优化

新型固体火箭对提升运载效率的需求日益强烈,由此发展出一些以提升载荷设计精度为目标的载荷优化方法,可有效实现结构的减载减质。现有优化方法仅考虑单项偏差,未考虑各项偏差间的匹配性和传递过程的合理性,很大程度上限制了载荷设计精度的进一步提升。梳理和分析了载荷计算过程涉及的多项参数偏差,提炼出原始偏差和过程偏差的概念,指出了传统方法在偏差使用及传递过程中的不合理。在此基础上,充分结合新型固体火箭的研制特点,改进了偏差的使用方法,降低了过程偏差对载荷计算精度的影响。结果表明该方法可有效提高载荷设计精度、准确性和效率。     

设计参数对幂次乘波体纵向静稳定性的影响

为实现幂次乘波体的纵向静稳定设计，对幂次体激波面后流线的“凹凸”特性与设计参数之间的关系进行了研究，并以此为依据，通过数值计算的方法得到了设计参数与幂次乘波体纵向静稳定性之间的关系。结果表明：幂次体激波面后的流线由“内凹”和“外凸”两部分组成；设计参数c越大、n越小、设计Ma越大、前缘点布置的越靠前以及乘波体长度L越长，流线的“外凸”段所占比例越大，由此得到的幂次乘波体纵向也就越稳定；此外，在其他设计参数确定的情形下，前缘线形状的改变并不影响乘波体的纵向静稳定性。     

有翼导弹的动态稳定性分析

导弹动态稳定性是导弹飞行动力学的重要组成部分。当导弹作高机动飞行时 ,线性理论将不再成立。本文运用非线性动力学理论 ,通过对导弹动力学方程的数值仿真 ,讨论了以导弹控制舵偏角为参数导弹高机动飞行时的非线性动态稳定性 ,并得到了相应的结论 ,为导弹控制系统的设计提供了必要的理论依据     

飞行振动环境随机试验模拟的载荷等效

研究飞行振动环境载荷地面试验模拟的等效性问题。基于模态质量的振型叠加方法应用于结构随机振动的响应分析,导出了随机振动载荷等效的一般表达式。针对小阻尼稀疏模态结构,得出了随机振动载荷等效的一种工程设计方法,并通过数值模拟验证了方法的可行性。     

基于非线性有限元降阶方法的网格加筋筒壳结构屈曲承载特性研究

非线性有限元数值计算方法是结构屈曲性能评估的主要手段,然而该方法需要基于精细网格迭代求解,降低结构非线性计算规模是其关键技术之一。采用一种结构非线性有限元降阶方法,对均匀轴向压载荷作用下的网格加筋筒壳结构进行了细致的承载稳定性特性分析。该方法将Koiter初始后屈曲理论与Newton弧长法相结合,通过多次使用Koiter摄动展开来跟踪结构非线性平衡路径。计算比较了特征值屈曲载荷和计及几何非线性效应的非线性屈曲载荷值;采用侧向小扰动载荷模拟结构初始几何形状缺陷,分析了缺陷幅度对临界屈曲载荷的影响规律,在验证了非线性有限元降阶方法分析精度的同时,细致考核了该方法在结构非线性屈曲分析以及缺陷敏感性分析中的计算效率优势。     

太极二号卫星精密热控关键技术及试验验证

针对引力波探测太极二号卫星提出的高稳定度温控需求，开展了高分辨率测温系统和高稳定度热控技术的研究，提出了多级阻尼的热控设计方法，建立了多级阻尼状态空间数学模型，揭示了系统中热量传递特性。该方法在太极二号核心载荷上进行了地面试验验证，试验结果表明核心舱关键仪器的温度满足指标要求。试验结果的噪声分析，不仅验证了精密热控关键技术，而且提出了关于热噪声分析与抑制的新方法，为后续航天器精密热控技术提供了理论分析方法和工程参考依据。