一种新的界面映射推进方法及其在气动弹性力学中的应用

非线性气动弹性研究中,涉及到非线性的流体动力学(CFD)和非线性的结构动力学(CSD )耦合问题,在耦合界面上不仅要进行两场之间信息的传递,而且要有匹配的时间推进格式 。针对计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）的耦合计算方法,基于边界能 量守恒,发展了一种新的界面处理方法,包括：① 界面映射方法,该方法基于耦合边界上 局部的网格信息,将两场之间载荷信息和位移信息的转换放在同一个映射矩阵中来处理,克 服了占用大量CPU时间和内存的需求;② 界面推进方法,该法基于松耦合计算流程,通过引 入半步交错推进,达到了二阶时间精度,提高了计算精度和效率。最后将该界面处理方法应 用于柔性大展弦比机翼的气动弹性计算和AGARD445.6机翼的动响应分析中。结果表明该方法 能够高效、高精度地处理不同物理场之间的数据交换和时间推进,并具有处理复杂几何体非 线性气动弹性问题的能力。     

噪声激励下典型复合材料铆接结构的声固耦合分析

针对CVI工艺下复合材料典型铆接板,提出一种适合复杂模型动力学分析的建模方法:采用Bush和RBE2的组合单元模拟铆钉连接,将板间的弱非线性接触力转化为接触刚度,建立该复合材料铆接板的有限元模型。同时,基于有限元-间接边界元法推导了考虑接触力的声固耦合动力学方程,开展了该复合材料铆接板在随机噪声激励下的声固耦合分析,并探讨界面接触对声固耦合系统固有特性和动响应的影响。研究结果表明,界面接触模型比界面刚接模型更为准确;刚接模型会增大复合材料铆接板连接界面的局部刚度,使得结构的固有频率偏高,响应峰值向高频处移动;考虑接触对结构的加速度响应影响较大,对应力响应影响较小。     

基于变体积力的跨水气界面多相流及流固耦合问题实验方法研究

航行体跨水气界面过程物理现象复杂并且多种力学效应耦合,相关研究往往需要利用缩比模型实验开展。已有缩比模型实验体积力保持不变,主要考虑弗劳德数和空化数相似,难以分析其他相似参数影响。利用离心机形成可变体积力环境,增加了实验可控参数,提高了实验模拟参数的完备性。通过流动和结构形变理论分析,形成了基于变体积力的跨水气界面多相流及流固耦合问题研究方案,可在考虑弗劳德数和空化数影响条件下,进一步考察雷诺数或结构形变的影响。针对上述研究方案,分析了缩比模型实验模拟条件并开展了仿真计算,验证了所提出实验方案的可行性,为跨介质问题研究丰富了探索途径。     

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。     

一类强耦合强不确定性强非线性快时变系统复合控制

分析一类强耦合强不确定性强非线性快时变系统的控制问题。基于系统力学特性和动力学特性，提出一种复合控制方法。该复合控制方法由三个核心模块组成，依次为强耦合强不确定性控制模块、强非线性快时变控制模块、智能调度模块。以某典型强耦合强不确定性强非线性快时变特性飞行器对象为例，给出了采用该复合控制方法的详细设计。最后，在精确的仿真模型基础上，考虑天地不一致性情况，进行了多组仿真分析，仿真结果表明，该方法有效、可靠。     

考虑星-箭动力耦合作用结构瞬态响应分析

利用直接激励法，对火箭发射过程中考虑星箭动力耦合作用的卫星结构瞬态响应问题进行了求解。给出了最大动压、一二级分离前和分离后三种工况下卫星结构的加速度响应历程。该方法克服了大质量法和惯性载荷法瞬态响应计算中的载荷处理困难和数据回归困难。文中给出了大质量法、直接激励法和惯性载荷法的动力学方程，指出各种方法的应用条件。计算结果表明，直接激励法简捷实用，优于惯性载荷法和大质量法。     

大型柔性空间结构热-动力学耦合系统的非线性有限元分析

针对在轨航天器柔性附件的热-动力学耦合系统,发展了一种基于更新Lagrange格式的非线性有限元分析方法。构造了一种一维温度杆单元,该单元通过增加节点自由度数能够同时得到薄壁杆件横截面的平均温度和沿杆截面周向的温差,这些温度直接产生相应的热轴力、热弯矩和热双力矩。利用Rodrigues公式得到薄壁梁在大转动情况下的坐标转换矩阵,并推导了非线性动力学方程。进一步考虑结构变形和热流入射角的相互影响后,就得到了高度非线性的热-动力学耦合有限元方程。首先用标准考题验证了该方法的正确性,然后利用该方法对哈勃太空望远镜太阳翼的热诱发弯扭耦合振动问题进行了分析,给出了可能导致其失效的模式。
     

电动式磁悬浮动量球电磁场耦合分析

本文针对电动式磁悬浮动量球(Electrodynamic suspension reaction sphere, EDSRS)的电磁场耦合进行分析，采用定子绕组的感应电动势评判耦合强度，提出了耦合强度评判指标，作为EDSRS的结构设计约束，以降低电磁场耦合的影响。首先，结合EDSRS的具体结构特点，对多定子之间的电磁场耦合问题进行分析，采用定子电磁场在另一个定子绕组中产生的感应电动势评判耦合强度。然后，对感应电动势产生规律进行分析，提出了耦合强度评判指标，并基于所提评判指标，建立了耦合约束验证流程，作为EDSRS的结构设计约束，最后，通过有限元仿真和实验验证了上述电磁场耦合分析。     

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。     

运载火箭与航天器界面载荷设计优化方法

基于动力学理论，开展了器箭界面动态内力的理论建模，对影响器箭界面动态内力的主要因素进行辨识，并分析了器箭界面动态内力随各影响因素的变化趋势。同时，基于某真实火箭构型以及对应外激励，通过设计有效载荷的质量、质心高度以及基频参数组合集，开展跨声速工况下器箭动力学耦合分析，获取横向质心等效加速度分布数据。结合理论分析的分布规律，对耦合分析质心等效加速度进行分类统计，构建了一种可行的器箭界面动态内力精细化设计方法。该方法应用于新一代运载火箭，可有效降低器箭界面载荷设计条件，具有重要的工程意义。     

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。     

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。     

航天器薄壳柔性附件展开耦合行为特性研究

为研究大范围运动柔性附件几何非线性和耦合效应与中心刚体的精确动力学行为,以薄壳结构柔性附件为研究对象,引入非线性应变和位移关系,利用虚功原理推导了做大范围运动带柔性附件航天机构的完整非线性动力学模型,所构建的模型包含了非线性几何变形及附加非线性项。针对线性和非线性模型,相应开展了大范围运动航天机构刚柔耦合数值分析。结果表明,随着转速增大,线性与非线性模型动力学特性产生根本差异,指出线性模型忽略了非线性耦合项的不足,而非线性模型可精确地预测大范围运动带柔性附件航天机构动力学行为。结论对航天机构定向和跟踪操作的动力学与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

减压器开启过程内部流场的动态仿真和特性研究

针对自主研制的大流量气体减压器,以研究其开启过程内部流场的变化和动态特性为目的,建立了减压器工作过程的二维数学模型,采用动网格技术和流固耦合仿真技术,将气体的流动和活动组件的运动耦合起来,实现了减压器开启过程中内部流场的动态仿真。同时,通过对流场中不同位置参数的监测,进行了基于动态流场的开启过程动态特性研究。     

航天器挠性附件刚柔耦合动力学建模与仿真

大型挠性航天器在进行轨道机动或姿态调整等大范围刚体运动时,将与其挠性附件的变形运动发生强烈的耦合,传统的零次近似动力学模型已不能正确揭示此时系统的动力学行为。现针对带梁式挠性附件的航天器,在计及挠性附件变形位移场耦合作用的基础上,通过Lagrange方程建立了航天器的刚柔耦合一次近似动力学模型,并利用Wilson-θ方法进行了数值仿真。仿真结果说明,在航天器经历大范围刚体运动时,该动力学模型能够正确预示挠性附件的动力学行为;挠性附件的振动频率随着大范围刚体运动速度的增加而增大,出现了动力刚化现象。     

太阳翼铰链结构的动力学实验与非线性动力学建模

通过动力学实验获得真实的太阳翼板间铰链结构于不同激振频率下的振动响应参数,并采用力状态映射法建立板间铰链的非线性动力学模型。首先,采用单频激励信号模拟外扰对实际的板间铰链结构实施动力学实验;然后,基于其结构具有的多重非线性动力学特性,根据实验数据应用力状态映射法辨识结构的动力学参数,建立其非线性动力学模型;最后,对由太阳翼板间铰链连接的两段梁所构成的系统进行了冲击激励下的振动响应测试,同时进行了有限元动力学仿真,实验测试结果和数值仿真结果取得了较好的一致性。本文建立的太阳翼板间铰链非线性动力学模型能够较好地反映其动力学特性,对于实际太阳翼结构的动力学建模具有理论参考价值。     

非线性约束的大型旋转火箭瞬态响应模拟

以大长径比、旋转无控火箭为研究对象，探讨弹-架非线性约束系统的发射动力学响应。将火箭模拟为支承、变刚度柔性转子，发射装置则简化具有弹性约束的Euler-Bernoulli，二者通过非线性弹性元件相耦联。数值模拟发射过程中的火箭瞬态响应，分析了系统特性对火箭姿态的影响。     

基于非线性能量阱的双共振峰振动抑制的力学特性研究

非线性能量阱是一种可实现高效振动抑制的非线性吸振器。为了将其应用于宽频振动抑制问题,文章构造了一个由单自由度非线性能量阱和两自由度减振对象组成的系统,以研究非线性能量阱对双共振峰的振动抑制效果。结合系统特点,提出使用增量谐波平衡法分析系统共振峰附近的平衡点分布,并应用Floquet理论对平衡点的稳定性进行了判断,由此揭示了该系统局部分岔现象带来的复杂力学特性。为了验证解析结果,还进行了数值计算。研究结果表明非线性能量阱在正弦激励作用下具有良好的宽频减振效果,在航天器局部振动抑制方面具有良好的应用前景。     

基于干扰补偿的航天器直接自适应模糊控制

带有活动式有效载荷和挠性附件的大型航天器在动力学上具有非线性、大挠性、强耦合等特点,这给控制系统的设计带来了较大难度。其突出特点是要求控制系统在控制量受限的情况下克服各种未知复杂干扰力矩的影响。本文针对这类大型复杂航天器,提出了一种基于直接型自适应模糊逻辑和干扰补偿的控制方法。在控制律的设计中,将自适应模糊系统直接用作系统的主控制律,利用扩张状态观测器对模糊系统的逼近误差和内外干扰力矩进行观测并予以实时补偿。仿真结果表明了方法的有效性。     

环柱式天线展开过程耦合动力学分析

针对环柱式天线展开过程中斜拉绳索释放运动与桁架展开运动之间耦合动力学分析困难的问题,采用非线性欧拉梁单元对斜拉绳索建模,基于几何精确梁理论对环形桁架建模,提出了环柱式天线多体系统模型,实现了结构展开过程中绳索释放与桁架展开耦合动力学的精准仿真,揭示了绳索柔性等因素对桁架伸展起阻碍作用的机理。仿真结果表明,在环柱式天线展开过程中,减小绳索模量,降低绳索直径,采用单绳索分布设计,有利于提高桁架的展开稳定性。另外,绳索柔性对桁架展开中间阶段影响最为显著。该分析结果为环柱式天线在轨展开动力学预示和优化设计提供了指导作用。