液体火箭发动机涡轮泵转子弯扭耦合振动研究

为获得转子振动特性,针对液体火箭发动机涡轮泵转子系统建立了其在密封流体激振作用下的弯扭耦合动力学模型。通过数值仿真和试验研究了涡轮泵转子系统弯扭耦合振动的动力学特性,结果显示在密封流体激励作用下弯扭耦合振动的非线性特性显著。还研究了偏心距对涡轮泵转子系统弯扭耦合振动的影响。本研究可为液体火箭发动机涡轮泵转子的结构设计、诊断与维护提供可靠信息。     

充液容器流固耦合模态仿真分析研究

主要介绍目前容器类流固耦合模态分析最常用的两种计算方法:声固耦合法及虚拟质量法。从理论上分别对这两种方法进行分析,并指出它们之间的联系与区别:虚拟质量法采用了声固耦合法在不可压缩流体情况下的形式,并有所改进,即流体的作用完全由虚拟质量阵来体现,而流体的虚拟质量阵则通过具有解析解性质的边界元法获得。最后,通过开口方槽干状态、湿状态的无阻尼模态仿真分析研究,揭示出流体对结构模态特性影响的变化规律,同时指出了两种方法(虚拟质量法、声固耦合法)对结构湿模态计算结果有规律性的差异:随着振动频率的升高,不仅容器内流体对结构模态特性的影响在减小,分析湿模态的两种方法所得到的计算结果之间的差别也在逐渐减小。     

平流层飞艇流固耦合分析方法研究

平流层飞艇为了在平流层环境下获得足够的浮力,要求其体积庞大,由于跨度较大的充气柔性气囊结构容易发生变形,使得流固耦合特性非常显著。针对该类飞行器的流固耦合方法的研究是对其流固耦合特性分析的首要条件。本文基于流体动力学计算软件FLUENT和结构动力学分析软件ABAQUS,形成了分析平流层飞艇这类大型柔性充气结构流固耦合特性的非线性动态流体－结构交错积分耦合法。通过充气的圆球薄膜的解析解和NACA65A006机翼颤振特性的实验结果与计算结果的比较对该方法的有效性进行了分析。这为平流层飞艇流固耦合问题的研究提供了一种有效的分析工具,并对某平流层飞艇的突风干扰响应特性进行了分析,得出其流固耦合特性的变化规律。     

采用流固耦合方法数值分析减压器动态响应

采用流固耦合数值模拟技术研究了减压器工作过程的动态特性。流体控制方程为三维基于动态网格描述的Eu ler方程,采用非结构动网格有限体积格式求解;固体结构的运动方程由拉格朗日方程导出,采用纽马克方法求解。提出了可变边条零厚度虚拟挡板技术模拟了活门由闭到开的瞬态过程。计算得到了上游不同开启压力以及不同开启持续时间减压器弹性元件的动态响应特性,结果表明,虚拟挡板技术模拟物体间由零距离开始分离的实际过程是成功的,且对最小网格尺度没有限制;将减压器上游高压的开启持续时间延长能够避免阀芯开度的振动。     

充气式再入减速器动态气动载荷与结构特性研究

针对充气式再入减速器在动态飞行环境下的结构特性变化问题，提出一种基于飞行轨迹参数的CFD动态边界条件加载方法，有效实现了飞行动力学与空气动力学之间的耦合。同时，建立考虑内充压气体热效应的流固耦合模型，较已有方法更全面地考虑了结构变形对流场的影响以及内充压气体状态参数的改变，突破了现有研究中未能完整考虑温度对结构特性影响的局限。利用此模型着重对比了再入过程中气动力与气动热对结构应力及一阶固频的影响，并研究了尺寸变化对结构特性的影响规律。研究发现单独考虑气动力与气动热作用时，结构最大应力分别升高至39.6 MPa与33.5 MPa，而适当减小半锥角和增多气囊数目有利于减小结构应力。本文研究为充气式再入减速器的强度校核及优化设计提供了有价值的参考。     

基于流固耦合理论的关机水击特性

为了考虑结构变形对关机水击特性的影响,应用Workbench15.0构建双向流固耦合分析系统,模拟关机水击过程,通过压力和流线的分布图分析压力波传播和能量耗散。根据轨控发动机大流量、高室压、快响应的发展趋势,设计了8个工况来分析流量、压力、阀门关闭时间对水击特性的影响。仿真结果表明:在水击发生后,水击的能量只有小部分通过从入口流出和结构变形而耗散,大部分水击能量的耗散是由于流体的粘性损失。流量只对水击峰值压力有影响,且流量越大,水击峰值压力越大。阀门关闭时间的缩短增加了峰值压力和水击频率,减缓了衰减速率。管路背压对水击特性几乎没有影响。因此,在进行轨控发动机高室压水击试验时,在保证流量和关阀时间相同的情况下,减小出口背压,可以得出与高背压一致的水击压力变化曲线。     

空气舵气动力‒脉动压力‒结构耦合响应分析

气动力、脉动压力、结构振动相互作用,组成复杂的多场耦合系统,给动力学分析带来极大的挑战。文章基于PCL和DMAP语言自主研发了气动力–脉动压力–结构耦合响应分析软件,以复合材料空气舵为研究对象,建立其有限元模型,并开展模态分析;进而,建立基于Van Dyke修正活塞理论的气动模型,基于模态法分析了气动力–脉动压力–结构三者耦合的空气舵响应,并与不考虑气动力效应的非耦合结构响应进行对比,探究了气动力耦合效应对空气舵响应的影响规律。结果表明,气动弹性效应能使得空气舵振动响应从随机振动变为发散极限环振荡形式的高阶运动,显著改变脉动压力响应谱。可以预测,结构声疲劳分析中必须考虑气动弹性效应。     

微振动源与支撑结构耦合特性研究综述

综述了微振动源与支撑结构耦合特性理论研究现状,重点介绍了基本理论研究、静态动质量法、动态动质量法等在微振动源与支撑结构耦合特性分析中的应用及试验验证,并对几种分析方法的分析结果与试验验证结果进行了对比,结果表明考虑了陀螺效应的动态动质量法分析结果与试验结果更为吻合。提出了国内微振动源与支撑结构耦合特性在理论方法改进、物理试验应用、减隔振系统设计应用等方面的研究展望,可为微振动领域相关研究和产品研制提供参考。     

流固耦合作用下水下点火固体发动机C/C复合材料喷管力学性能分析

为了研究流固耦合作用对水下点火固体发动机喷管力学性能的影响,采用有限元分析软件建立C/C复合材料喷管的有限元模型,仿真计算不同水深下喷管的力学性能变化。结果表明:真空条件下,喷管的模态频率最大;随着水深增加,流固耦合作用使喷管虚拟质量增大,因而模态频率降低,并且耦合的模态阶数变多。在5～800 Hz振动激励下,随着水深增加,喷管与外界流体发生共振的模态阶数升高,喷管出口部位频率响应的最大位移增大;喷管在5、10、15 m这3种水深下与流体发生流固耦合时的变形云图分布形态一致,只是数值大小不同;但是在15 m水深下,喷管喉部出现严重的应力集中现象,应力值在2.5×107～3.79×1012 Pa之间,存在破坏失效风险。     

流固耦合动力学与航天工程中的流—固—控耦合问题

流固耦合动力学是目前一般力学领域的重要研究内容,在航天工程中,流固耦合问题更有其特殊的重要性。本文较系统地介绍了流固耦合动力学的研究内容及研究方法,并详细地综述了航天工程中与流体有关的耦合动力学问题的研究进展,最后指出了流体-航天器耦合动力学的非线性特征。     

点阵结构空气舵及内部流体热流固耦合研究

开展了钛合金TC4材料激光粉末床熔融(LPBF)工艺研究,在此基础上设计了多孔轻质空气舵模型,并基于有限差分法(FDM),采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,利用流体体积法(VOF)追踪流体自由液面,研究了典型的点阵夹层结构的空气舵内部冷却液动态换热过程的相互影响过程,考虑了冷却液与钛合金材料蒙皮间的耦合传热及湍流换热。结果表明,空气舵的内部流体压强随速度的增加而增加,从而导致流体出口的速度增加。当压强增加到一定程度时,流体的出口以水柱形式喷出。虽然较大的流体速度可以带走较多的热量,但是影响远小于对压强的影响。综合考虑空气舵的服役要求,获得了合适的冷却水入口速度。     

跨介质航行器弹性舵翼空化流固耦合仿真分析

跨介质航行器水中航行过程中的流固耦合效应是影响航行稳定性和结构安全性的关键问题。基于径向基函数法和模态叠加方法,开展跨介质航行器水中运动过程中空化流动与结构振动的耦合仿真,对航行器三角型截面舵翼的流固耦合效应进行研究,分析了不同攻角下的空泡形态以及舵翼与空化流动的相互作用。分析结果表明,在来流攻角为2°～6°时,航行器及舵翼几乎被包在超空泡内部。当来流攻角为8°时,舵翼的自由端会穿透空泡界面,使其所受水动力比小攻角条件下大一个量级,振动特征也更为复杂。     

点火冲击波与药柱裂纹流固耦合作用机理数值模拟研究

流体计算采用基于非结构动网格的有限体积方法,结构计算采用分段精细时程积分方法,求解结构动力学有限元方程,流体计算和固体计算之间采用松耦合在不断运动的交界面上进行作用力和运动特性的传递,对固体火箭发动机点火形成的冲击波与药柱缺陷形成的弹性裂纹之间相互耦合作用过程进行了模拟。研究表明,作用在弹性裂纹上的冲击波载荷引起的壁面变形随时间变化明显,开始表现为撑开裂纹出口,随后出现了收缩出口撑开底部的瓶状;固体变形对冲击波在弹性狭缝内的压力波振荡影响较小,以前采用刚体模型得到的研究结论仍有指导意义。     

流固耦合动力学问题中大位移耦合界面条件的处理方法

本文讨论了流固耦合问题中的大位耦合界面条件的处理方法，边类界面条件包括移动斜面界面条件及移动曲面界面条件。计算了在水面的二维刚性浮体的非线性振动问题，证实了此处理方法的可行性，可以用来解决具有大位移耦合界面条件的非线性流固耦合动力学问题。     

Peristaltic transport of a viscoelastic fluid in a channel

This paper is devoted to the study of the peristaltic transport of viscoelastic non-Newtonian fluids with fractional Maxwell model in a channel. Approximate analytical solutions have been constructed using Adomian decomposition method under the assumption of long wave boundary layer type approximation and low Reynolds number. The effects of relaxation time, fractional parameters and amplitude on the pressure difference and friction force along one wavelength are received and analyzed. The study is limited to one way coupling model with forward effect of the fluid on the peristaltic wall. It is evident from the result that pressure diminishes with increase in relaxation time and the effects of both fractional parameters on pressure are opposite to each other. The influences of these parameters on friction force are opposite to that of pressure.     

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

大功率、高转速、高扬程涡轮泵振动分析与减振研究

比功率和能量密度都很高的火箭发动机涡轮泵,工作时引起振动的基本原因之一是较大的损失功作用在质量较小的产品上,减振必须是以提高组件的效率降低其振动比载荷为首选措施,同时改变其刚度与强度。组件中动、静件叶片之间的能量转换是引起流体压力脉动的主要原因,避免压力脉动的频率与转子转动的倍频耦合,特别是较低的倍频,是降低产品耦合振动的关键。流体密封间隙内的激振力对产品振动的影响很复杂,但激振力的主频与转子的某一固有频率接近时,将会对转子激起很大的振动,改变密封间隙内流体激振力的频率是抑制流—固耦合振动的主要方向。     

旋成体模型仪器舱脉动压力空间相关特性研究

为揭示跨声速阶段仪器舱附近脉动压力的空间相关特性,以某旋成体模型为研究对象,基于风洞试验获取了仪器舱附近脉动压力载荷分布规律,计算了测点间的脉动压力空间相关系数。通过曲线拟合与归一化处理,获得了模型仪器舱脉动压力空间相关特性曲线,并研究了攻角、马赫数与雷诺数对空间相关性的影响。结果表明,该模型仪器舱脉动压力空间相关特性具有波动与衰减的特点,随着流动复杂程度的增加,其相关性逐渐降低。同时,在跨声速范围内,该模型仪器舱脉动压力空间相关特性对马赫数以及较高的雷诺数比较敏感。对脉动压力空间相关特性的研究,为飞行器结构响应分析以及载荷环境预示提供了支撑。     

固体火箭发动机燃烧室结构径向振动与内弹道性能的耦合计算

研究了由推进剂药柱和壳体组成的燃烧室结构径向振动对发动机内弹道性能的影响。在一维非定常内弹道方程中,分别考虑了结构径向振动对内弹道方程和燃速的影响,研究了在给定燃烧截面内,由于燃烧室压强变化引起的结构径向振动。据弹性力学理论和振动机理,得到了简化的等效径向振动方程;对内弹道和结构径向振动进行了耦合计算,分析表明当内弹道出现周期性的压强振荡时,会引发与结构径向振动之间的耦合作用,使得燃烧室压强振荡振幅上升一个量级,对发动机的工作安全产生危害。