运载火箭动特性中推进剂纵向质量分散建模方法

将贮箱箱底建模为环段,采用递推公式将推进剂纵向质量分散到环段,代替目前广泛应用的柱段底点纵向耦合质量单元方法,建立了运载火箭动特性模型。分析表明各环段分散量均匀并呈单调递减趋势。计算结果和试验对比表明该建模方法能获取更为精确的模态计算结果。     

基于缺陷敏感性的大直径贮箱椭球箱底内压稳定性研究

薄膜理论解析法对考虑几何缺陷的贮箱椭球箱底的内压稳定性难以求解。利用有限元方法分析了一阶特征值模态缺陷和凹陷缺陷对大直径椭球箱底/筒段结构内压稳定性的影响。研究结果表明:一阶特征值模态缺陷的幅值小于壁厚的0.3倍时,屈曲载荷与缺陷幅值成反比,大于壁厚的0.3倍,屈曲载荷与缺陷幅值成正比;椭球箱底向外凹陷刚度比向内凹陷刚度大,相对于向内的凹陷缺陷,贮箱椭球箱底屈曲载荷对向外的凹陷缺陷更为敏感。     

微重力条件下部分充液贮箱中流体动力学行为的三维计算

简要介绍一个用于常重及微重力环境条件下，计算充液贮箱中非定常流体动力学行为的三维程序，该程序具有多种选择，提供了一个广泛应用的可能。文中亦给出了对充液４０％模型贮箱中非定常流体动力学行为的计算结果，计算是在ＣＲＡＹ－ＸＰ超高速计算机上完成的。     

火箭贮箱液体晃动等效模型参数的数值仿真方法

基于有限体积VOF方法以及势流体有限单元优势,提出了一种火箭贮箱液体晃动等效模型参数快速而精确的数值计算方法,并用具有解析解的圆柱贮箱模型对该方法的准确性进行了全面的验证。由于该方法不受贮箱外形和内部装置的限制,可用于任意贮箱液体晃动的研究。     

液体在具有下凹型共底贮箱内的晃动特性试验研究

一、引言在大型多级液体火箭中,其第二、三级往往采用共底贮箱的结构形式。这样,贮箱内的液体晃动特性与箱底形状有着更密切关系。对具有椭球型箱底的贮箱,可参照[1]的研究结果,等效成液体的自由液面及体积相同的直圆柱平底贮箱来计算液体晃动频率等参数。对于上凸型共底贮箱,在液面为圆环形部分,可参照[2]的方法,把它等效成同样体积及同样自由液面的圆环形平底贮箱。对于下凹型共底贮箱,在液面为圆环形部分,由于贮箱内的液体运动不像上凸型共底那样,明显地受到共底的限制,因而不能直接引用[1,2]的结果。本文用试验研究方法,观察了下凹型共底贮箱内的液体运动特点,测定了液体晃动的一阶固有频率和相应的阻尼值。试验研     

上面级液体悬挂贮箱动力学建模方法研究

提出一种适用于上面级液体悬挂贮箱的建模原则、建模方法,并针对不同建模方法给出静力和模态计算值对比。由分析可知"贮箱柱段壳+贮箱球底梁+液体质量点"的组合建模方法,可较好模拟贮箱柱段/贮箱法兰/主结构支架间的连接刚度。具有频率计算值与试验值较为接近、计算耗时较小等优点,有利于提高贮箱局部纵向模态建模精度。     

囊式充液贮箱晃动特性的试验研究

基于气动悬浮技术,对囊式充液贮箱的晃动特性开展试验研究。首先通过无囊状态的贮箱晃动试验证明了试验系统的可靠性,然后对有囊状态的贮箱进行了三种充液比、三个方向的晃动试验,并且对增压和不增压两种状态的试验结果进行了对比。经试验验证,由于囊的约束作用,液体晃动被抑制,且囊外增压对晃动特性没有影响。该试验结论对航天和航空飞行器及其他工程领域的燃油输送设计、充液容器设计等具有一定的参考意义。     

牵制释放过程中火箭液体推进剂的建模研究

为进行牵制释放过程中火箭贮箱的承载分析,采用各向同性的固体材料模拟液体推进剂。论述了材料特性的选取依据,使用有限元程序NASTRAN对比分析了火箭充液贮箱的三种不同模型的模态,静态过载分析表明所采用的固体模型具有液体的相似属性,对比了在牵制过程贮箱几种模型的动力学响应曲线,并得出了贮箱在释放过程的承载曲线。证明了推进剂模型的有效性和合理性,解决了牵制释放过程中贮箱的承载分析问题。     

断裂力学在推进剂贮箱安全评定中的应用

介绍了断裂力学在火箭推进剂贮箱安全评定中的应用。首先对贮箱进行了应力分析。然后,通过对贮箱结构的合理简化,将线弹簧模型应用到其中未穿透裂纹应力强度因子的求解。最后,介绍了一种断裂韧性的测试方法。数值和试验结果表明,方法是简便可靠的。     

轴对称运载器纵向动力响应分析方法的改进

这份NASA报告刊出的是由Archer和Rubin提出的用有限元分析运载火箭轴向动力特性和动力响应的新方法。该方法是将火箭的主要部段——贮箱取成壳元,而贮箱内的燃料则取为液体元(不考虑液体刚度),其它非对称部件取成弹簧-质量单元。用这种组合模型可以用较少的自由度计算轴对称液燃火箭的纵向动力特性和动力稳态响应。该方法曾用于登月的土星V运载系统的轴向动力计算,也用于航天飞机哥伦比亚号主燃料箱的纵向动力计算,还用在法国阿里安火箭的纵向动力计算,都取得了较好效果。文章对所用公式有较详细的推导,对程序也做了一定的说明,该方法和程序具有较大实用意义。     

液体作用于贮箱分隔板上的载荷

本文就火箭贮箱中纵向分隔板上的晃动载荷进行理论推导,提供了横截面为圆形和圆环形贮箱中十字形纵向分隔板的晃动载荷计算方法。     

《失重环境下液—气界面静平衡形状计算手册》简介

失重环境下液—气界面静平衡形状是液体推进剂管理系统设计的依据,是流体动力及热传导分析的初始条件,因此很多人在这方面提出了分析方法并进行了试验。因所求解必须满足贮箱中气体体积的初始值和由液体性质及贮箱材料所确定的液—气界面与贮箱壁接触角θ的边界条件,须解不定边值微分方程组,计算工作量较大。     

液体运载火箭纵向振动结构动力学模型应用研究

在液体运载火箭结构动力学工程研制设计中,为了进行POGO分析和星箭耦合载荷仿真预示,一般需要进行运载火箭纵向结构动力学模型的建立及其纵向动力学特性计算,建模过程中重点关注环节是加注液体推进剂的贮箱的简化建模,为了克服MSC.Nastran虚质量法计算耗时长的劣势和单质量块简化模型高阶频率计算精度较差的缺点,基于文献方法进行了多质量块简化模型的推导和建立,通过算例表明,采用多质量块简化模型在保证计算精度的同时,可以大大提高计算效率。     

三轴充液航天器建模及姿态稳定控制

针对目前文献中采用的充液航天器模型多为二维平面模型,而实际中充液航天器在轨运行环境为三维环境的情况,对一类贮箱关于航天器中心轴对称的三维面充液航天器进行了动力学建模与姿态控制研究,使其更具有实际意义。首先,根据航天器在轨运行的环境建立了参考坐标系,采用单摆模型等效液体燃料的晃动。在此基础上采用角动量守恒定律建立了充液航天器各个部分对其质心的惯性力矩,并将其与充液航天器动能方程推导得出的拉格朗日方程相结合,得出完整的动力学方程,完成了建模工作,并分析得出该欠驱动系统零动态不稳定的结论。最后,考虑航天器刚体部分常值转动惯量存在参数不精确,同时三轴力矩发生常值干扰的情况,设计了滑模控制器,保证了充液航天器在轨道坐标系上的姿态稳定。     

筒段边界对大直径贮箱椭球箱底的内压稳定性影响研究

基于薄膜理论得到的椭球箱底应力分布没有考虑筒段边界的影响,不能真实反映椭球箱底/筒段结构的应力状态。利用有限元方法得到大直径贮箱椭球底/筒段结构的临界失稳载荷及负应力分布,同时进行材料的线性和非线性稳定性计算,得到椭球底/筒段结构的弹性和塑性临界屈曲模数。研究结果表明:筒段边界对椭球箱底环向屈曲存在抑制作用,筒段边界的存在导致箱底弹性临界失稳载荷较理论值偏大22.5%,环向负应力区域会向箱底顶端方向偏移,最大值出现在箱底赤道线偏上;椭球底/筒段结构的弹性临界屈曲模数为1.52,较理论值1.414大7.5%;材料进入塑性后,塑性变形将有助于缓解椭球箱底/筒段结构的塑性屈曲,塑性临界屈曲模数将高于弹性临界屈曲模数。     

圆柱形贮箱中的液体有效转动惯量及其实验研究

液体有效转动惯量是分析大型液体火箭的运动和动力特性的一个主要参数。本文用解拉普拉斯方程,求解了典型的两端平底、充满液体的圆柱贮箱的液体转动惯量有效系数K_I。并用游丝扭簧实验装置作了实测、实验与分析相当一致。对两种不同布置的椭球底贮箱,给出了实验结果,表明相似性良好,为工程应用提供一种模型件的实测方法,并指出具体实际装有挡板的贮箱结构,液体有效转动惯量,应通过实验研究来解决。     

网格整体加筋贮箱圆筒壳结构优化设计

为完成网格整体加筋贮箱圆筒壳的结构优化设计,本文首先开展了网格整体加筋贮箱圆筒壳的有限元模型参数化研究;然后基于参数化模型,进行了网格加筋角度的优化设计和加筋尺寸与壁面厚度尺寸优化设计,讨论了网格尺寸和加筋角度与结构屈曲稳定性和质量之间的关系;并利用实验设计的方法构造响应面代理模型对网格尺寸和加筋角度进行了优化设计.通过以上参数化建模、代理模型构建和优化设计,得到了一套较为完整可行的网格整体加筋贮箱圆筒壳结构优化设计方法.最后还对研究过程中发现的问题进行了总结.     

摩擦因数时变的节点外啮合齿轮系动力学分析

以外啮合节点后啮合单级齿轮传动系统为研究对象,建立了系统六自由度非线性动力学模型,考虑了时变啮合刚度、时变齿面摩擦、载荷在啮合区动态分配以及齿侧间隙的影响。采用能量法计算了时变啮合刚度。基于弹流润滑（Elasto hydrodynamic lubrication, EHL）理论计算了时变摩擦因数,与库伦摩擦模型进行了对比分析,得到了齿轮副非线性振动方程,同时采用数值方法求解了系统的动力学微分方程组,得到了系统的时域动态响应和相图,并分析了系统的动力学特性。     

基于SPH方法的三维液体晃动数值模拟

采用SPH方法对棱形液舱在外加激励作用下,不同充液比工况所对应的舱内液体晃动进行了三维数值模拟,并将其与实验进行对比,两者吻合较好,同时成功地模拟出液体晃动产生的波浪翻卷和破碎,进而验证了SPH方法在求解三维液体晃动问题的准确性。分析结果表明:液舱的充液比及晃动周期对于液体的晃动特性及舱壁的压力有重要的影响,在大充液比情况下,迟滞特性所表现的双峰特征消失。     

取代液体对运载火箭试验动特性的影响

本文首先论述了目前解决液固耦合振动的几种主要的数值方法,分析了各种方法的优点与不足。其中建立液体单元,从而构造比较协调的液固组合单元的方法,是解决液固耦合效应十分有效可取的方法。文中详细推导了三维等参液体单元的特性矩阵公式及其有限元静、动力平衡方程。利用三维等参液体元和固体壳元的组合有限元模型对某箭第三级共底双贮箱进行了有限元分析计算,求得了真实液体燃料和试验取代液体对频率、振型及振型斜率的影响。最后得出结论:完全可以用取代液体代替真实液体燃料进行动特性试验,得到的振型和斜率是可信的。