月球探测器加速度响应预测的时域子结构方法

航天器结构的日益复杂和庞大为全系统级的动力学仿真带来了更大的困难和挑战,目前主要采用动态子结构法来提高分析求解效率,并解决不同设计部门之间的模型共享和技术保护问题。月球探测器软着陆阶段的冲击力学环境一般由加速度冲击响应谱描述,由于高阶振型对结构加速度响应的影响要比对位移响应的影响大得多,所以在小阻尼情况下,经典的基于模态的子结构方法在相同截断频率下对加速度响应的预测精度远低于位移响应。为解决这一问题,引进基于脉冲响应函数的时域子结构(IBS)方法,提出了一种适用于预测加速度响应的降阶形式的迭代求解格式。利用探测器着陆数值模拟试验中测得的缓冲机构作用力作为激励,分别采用固定界面模态综合(CB)法和IBS方法分析了月球探测器的加速度响应。数值算例表明,后者在计算精度和求解效率方面均高于前者,并说明基于脉冲响应函数的子结构方法适于对月球探测器加速度响应进行高精度快速预测。     

模型降阶在折叠机翼主动控制中的应用研究

针对以主动控制为目的的模型降阶中的降阶精度以及控制系统的降阶设计问题,以变体飞机折叠机翼为对象,建立以模态综合法为基础的动力学模型,对该模型分别采用模态价值分析方法和平衡截断降阶方法建立结构的降阶模型;利用可控度、可观度对两种降阶模型的精度进行对比分析,对降阶模型进行设计并施加主动控制律,抑制翼尖的位移响应。结果表明:平衡截断降阶模型具有较高的可控度,模态价值分析降阶模型具有较高的可观度;两种降阶模型均可以快速精确地得到高阶动力学的降阶模型,并且该模型可以有效地应用于主动控制系统的设计。     

基于模态综合法的含间隙折叠舵面动态特性分析

基于模态综合法对含间隙折叠舵面的非线性动态特性进行了研究。首先根据折叠舵面的结构特性建立含铰链连接的有限元模型，并采用双协调自由界面模态综合法对折叠舵面的有限元模型进行降阶。其次对不含间隙的折叠舵面进行扫频和模态实验，检验有限元模型及其降阶动力学模型的精度，并基于模型修正得到铰链的等效线性连接刚度。最后将等效线性连接刚度和间隙值进行组合，得到不同间隙下铰链的非线性连接刚度，完成含间隙折叠舵面的非线性动力学模型建立。基于非线性动力学模型对含间隙折叠舵面进行数值扫频，计算结果与实验扫频结果吻合良好，验证了所建立非线性动力学模型的精度及其在含间隙折叠舵面非线性动态特性分析中的可行性。     

直升机机身振动响应有限元分析

某型直升机的响应计算通过建立该机全机有限元模型，采用标准软件MSC．nastran提供的求解序列SOL111，即频率响应的模态求解法完成全机传递函数计算。然后根据该型机旋翼桨毂载荷，计算了频率等于旋翼一阶通过频率的旋翼桨毂载荷作用下的机身的加速度振动响应，计算结果为该型机全机振动水平预估提供原始数据。     

基于本征正交分解的叶片碰摩系统降阶方法

针对叶片碰摩响应求解问题,提出了采用本征正交分解进行动力学降阶的方法。通过对快照矩阵进行本征正交分解生成投影子空间,将系统动力学方程投影到子空间进行模型降阶,并结合数值积分方法进行了碰摩响应求解。基于降阶模型分析了不同转速及侵入量参数下的叶片碰摩响应,并与全阶模型进行了对比。结果表明:降阶模型的时域响应幅值偏差小于5%,计算效率了提升98.4%;通过改变叶片转速、侵入量参数验证了降阶模型的鲁棒性,并且发现随着转速、侵入量的增加,本征正交模态能量在低阶与高阶之间发生转移,并呈现出不同的传递规律,由转速引起的模态能量转移与结构的固有频率存在一定关系。该方法及结论可为叶片碰摩分析及故障诊断提供依据。      

一种基于叶盘结构几何失谐的降阶分析方法

叶片几何失谐严重影响叶盘结构的振动特性。为了准确且高效地对存在叶片几何失谐的叶盘结构进行振动分析,基于扇区建模方法,由动力学方程推导出降阶模型的表达式,利用该降阶方法对整个几何失谐叶盘结构分别进行模态分析和受迫响应分析,并与有限元方法进行固有频率和受迫响应结果的对比。结果表明:该降阶方法得到的结果与有限元方法得到的结果基本一致,验证了该方法的有效性和实用性。     

适用于气动弹性的小波非定常气动力降阶方法

发展非定常气动力模型降阶技术旨在缩减计算耗费并且使得计算流体力学信息能够应用于气动伺服弹性以及设计优化当中。采用小波方法建立基于Volterra级数的非定常气动力降阶模型。在模型识别过程中,激励是光滑连续的且以零阶保持方式进行离散,采样频率选择二的整数幂次。近似的一阶Volterra核基于Haar尺度函数族展开,鉴于Volterra核在系统响应中的衰减特性,可在合适的有限时长截断一阶核。为了获得一阶核的各项展开系数,需要求解由输入/输出数据组成的超定方程,其中涉及到奇异值分解算法。为了验证小波方法的有效性,算例选取了二维的NACA64a010翼型。数值仿真结果表明该方法能够比较准确地预测结构小扰动引起的非定常气动力响应且能描述一定的非线性现象。     

高维反向旋转双转子系统的建模方法及动力特性

为了弥补有限元方法预测含局部非线性的双转子系统动力特性的不足,借助有限元软件和固定界面模态综合法,建立了高维双转子系统非线性动力学模型,随后利用Newmark算法思想提出了一种隐式时域求解该问题的方法,该方法的求解效率主要取决于非线性力处的自由度个数.在考虑挤压油膜阻尼器非线性力和中介轴承非线性力的基础上,研究了双不平衡激励作用下的反向旋转双转子系统的非线性动力响应特性.研究表明:系统响应中除内、外转子自转频率外,出现了2个自转频率的组合频率;随中介轴承径向游隙的增加,系统转速分岔图中出现了分岔和混沌现象,且临界转速略有下降;系统轴心轨迹呈花瓣状,与试验结果基本吻合.      

液体火箭发动机喷管简化建模及模型修正

为了准确掌握喷管的动力学特性,提出了一种等效简化建模结合试验数据的模型修正方法。首先,将喷管的原始几何模型经过几何处理成简化模型,建立了喷管的有限元模型,对有限元模型在自由条件下进行模态计算,将得到的计算数据与测试数据对比分析,再利用测试数据对有限元模型的弹性模量参数进行修正,修正后的喷管有限元模型前9阶模态计算结果与测试结果频差在5%以内,MAC值(模态置信准则)在0.8以上。表明此方法是一种高效可行的喷管简化建模方法,既保证了精度又提高了计算效率,对其动力学特性分析、振动响应预测等方面具有重要应用价值,对于液体火箭发动机其他部件的动力学建模及分析也具有普适性。     

含接触界面的叶片非线性模态分析方法

为揭示含复杂接触界面的大规模叶片的非线性模态特性,建立了含接触界面的叶片非线性模态高效分析方法。以含缘板阻尼器的简化涡轮叶片有限元模型为例,介绍了含接触非线性耗散系统的阻尼非线性模态的基本定义;综合采用多谐波平衡法和基于高精度频响函数矩阵的线性自由度压缩方法,将非线性计算规模降低至初始模型的1/88,实现了含接触界面的大规模叶片有限元模型的非线性模态高效分析;基于能量平衡思想探索了叶片阻尼非线性模态振动与其共振点强迫振动响应之间的关联。结果表明,该非线性模态分析方法能够同步揭示叶片非线性模态频率和非线性阻尼比的振幅相关特性,对于涡轮叶片的动力学设计和缘板阻尼器的减振能力的量化评估具有重要意义。     

月球着陆器软着陆状态跳跃半主动控制

 将磁流变阻尼器应用到月球着陆器着陆机构中,进行减震与缓冲。考虑到着陆初始姿态角的不定和月面斜角的未知,建立起着陆器软着陆动力学模型。基于磁流变液在高速流与长冲程时的阻尼特性,分析了磁流变阻尼器的力学特性。应用安全角面的概念定义安全着陆所要求的着陆初始姿态角与月面斜角之间的关系,建立状态跳跃控制策略,实现软着陆半主动控制。通过与某型被动控制的着陆器进行对比分析,研究了半主动控制。研究结果表明：当允许的最大加速度响应不超过8g时,磁流变半主动状态跳跃控制的安全角面为理想安全角面的0.977 4,是被动控制安全角面的4.2倍,最大加速度变化的相对标准差为被动控制的0.59;而且当着陆初始姿态角以及月面斜角很大时,月球着陆器姿态角变化少,保证月球着陆器平稳着陆。     

深空探测着陆器数字化设计及着陆性能影响因素

以对称分布四腿悬架式月球着陆器为研究对象,建立了着陆器软着陆过程六自由度动力学模型并改进了月壤摩擦系数模型;在以上动力学模型基础上,以月球着陆器为例编制了着陆器软着陆六自由度动力学分析程序,利用该程序分析了探测器全机月面软着陆性能,重点研究了动力学模型中的月面等效弹性系数、月面摩擦系数和月面倾斜角度等参数对探测器着陆性能的影响。研究表明上述影响因素对着陆器着陆缓冲性能影响显著,通过对以上参数的合理选择可以有效缓解月球探测器月面软着陆的着陆冲击过载。     

脉冲子结构与有限元刚-弹混合连接的子结构方法

航天器结构的日益复杂庞大对系统级的动力学建模仿真以及进一步的结构优化提出了巨大挑战。为提高动力学求解效率,通常引用动态子结构方法。本文利用适于处理瞬态冲击问题的脉冲子结构(IBS)方法,并对其进行改进,将基于脉冲响应函数(IRF)的子结构与有限元建立的子结构综合,同时考虑刚性、弹性以及刚-弹混合连接情形下的子结构综合格式。通过3个数值算例,验证了方法的正确性。最后将刚-弹混合连接下的子结构方法应用到月球探测器软着陆的动态响应预测,结果表明该方法适于对月球探测器软着陆动态响应进行高精度快速预测,并且可以应用于月球探测器的局部动力学结构优化。     

Soft landing stability analysis of a Mars lander under uncertain terrain

Safe soft landing of the lander is vital to the Mars surface exploration mission. Analysis and verification of the landing stability under uncertain terrain play an important role in lander design. However, the effect of uncertain terrain is ignored in most existing studies, making the analysis incomprehensive and increasing the risk of landing failure in practice. In this paper, a Mars lander with 10 attitude control thrusters is introduced and its dynamics model is then established considering plastic deformation parts and nonlinear contact forces. The effectiveness and accuracy of the dynamics modeling method are verified by experiments with an average relative error of 10%. In order to carry out the dynamics simulation with high-fidelity terrain, a terrain generation method based on statistical data is proposed. Through Monte Carlo simulation under a 50 m × 50 m randomly generated landing terrain, the stability of the lander and the effects of attitude control thrusters are analyzed. The results show that the failure rate is 5.5%, in which the primary failure forms are overturning and abnormal attitude. When the landing simulations are repeated without thrusters, the stable ratio decreases from 94.5% to 90.7%, suggesting the positive effects of attitude control thrusters in improving landing stability under rough terrain.     

Overloading of Landing Based on the Deformation of the Lunar Lander

Along with the progress of sciences and technologies, a lot of explorations are taken in many countries or organizations in succession. Lunar, the natural satellite of the earth, become a focus of the space discovery again recently because of its abundant resource and high value in use. Lunar exploration is also one of the most important projects in China. A primary objective of the probe in lunar is to soft-land a manned spacecraft on the lunar surface. The soft-landing system is the key composition of the lunar lander. In the overall design of lunar lander, the analysis of touchdown dynamics during landing stage is an important work. The rigid-flexible coupling dynamics of a system with flexible cantilevers attached to the main lander is analyzed. The equations are derived from the subsystem method. Results show that the deformations of cantilevers have considerable effect on the overloading of the lunar lander system.     

利用Matlab/simulink对前起落架摆振动力学模型的建模方法

为了更好的进行起落架摆振动力学特性的分析,有必要开展起落架摆振动力学建模方法研究,拓展摆振动力学仿真方法。本文利用Matlab/Simulink对对一个简单的前起落架非线性摆振动力学模型进行仿真建模,并给出具体算例。通过结果对比,验证了仿真模型的正确性。     

考虑缓冲器非线性的桨毂中心动特性仿真分析

通过试验数据拟合建立缓冲器非线性动力学模型,采用仿真分析方法,仿真考虑缓冲器非线性动力学特性的桨毂中心动特性试验.仿真结果与试验结果进行比较表明,采用缓冲器非线性动力学模型能较准确地预计桨毂中心非线性动力学特性.分析了缓冲器非线性动力学特性对桨毂中心动特性的影响.     

Modeling and experimental validation of vertical landing reusable launch vehicle under symmetric landing conditions

This paper illustrates the dynamic modeling, experimental validation of Reusable Launch Vehicle under symmetric landing mode. Firstly, a new quasi-3D dynamic landing model of vehicle under 2-2 and 1-2-1 symmetric landing mode is established, which can predict the plane motion of the main body and the spatial motion of landing struts and footpads. The strut force, footpad-ground contact force and the liquid spring damper are also included in the model. Secondly, the landing impact experiments are performed for 2-2 and 1-2-1 symmetric landing mode. The main and auxiliary strut force are obtained, along with the force-stroke diagram of damper. By comparing with experimental data, the accuracy of simulation model is verified. It is found that the simulation model possesses good match with tested responses in damping stroke and main strut force. The simulation and experiment also indicate the same trend in auxiliary strut force and main body acceleration. The main discrepancies attribute to the simplified structural flexibility and nonlinear contact.