Effects of uncertainties and flexible dynamic contributions on the control of a spacecraft full-coupled model

One of the most important problems for performing a good design of the spacecraft attitude control law is connected to its robustness when some uncertainty parameters are present on the inertial and/or on the elastic characteristics of a satellite. These uncertainties are generally intrinsic on the modeling of complex structures and in the case of large flexible structures they can be also attributed to secondary effects associated to the elasticity. One of the most interesting issues in modeling large flexible space structures is associated to the evaluation of the inertia tensor which in general depends not only on the geometric ‘fixed’ characteristic of the satellite but also on its elastic displacements which of course in turn modify the ‘shape’ of the satellite. Usually these terms can be considered of a second order of magnitude if compared with the ones associated to the rigid part of a structure. However the increasing demand on the dimension of satellites due to the presence for instance of very large solar arrays (necessary to generate power) and/or large antennas has the necessity to investigate their effects on their global dynamic behavior in more details as a consequence. In the present paper a methodology based on classical Lagrangian approach coupled with a standard Finite Element tool has been used to derive the full dynamic equations of an orbiting flexible satellite under the actions of gravity, gravity gradient forces and attitude control. A particular attention has been paid to the study of the effects of flexibility on the inertial terms of the spacecraft which, as well known, influence its attitude dynamic behavior. Furthermore the effects of the attitude control authority and its robustness to the uncertainties on inertial and elastic parameters has been investigated and discussed.     

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法（HBM）,对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

在役钢结构概率安全评定方法

针对大型在役钢结构的安全评定问题,综合利用第二水平法和Monte Carlo法,提出了静载和疲劳条件下概率安全评定的方法;并利用三阶段腐蚀规律对海洋气候腐蚀条件下概率安全评定过程进行了修正.以青岛港装船机主梁和翻车机端环为例进行了实际结构的安全评定分析计算,分别得出了这些结构中一些缺陷的确定性和概率安全评定结果.2种评定结果是大体上是相近的,但也存在一些不同.通过对这些确定性和概率安全评定结果的对比分析,得到了确定性和概率性安全评定方法的初步关系式-近似为单对数线性关系,此结论为概率安全评定方法的工程化奠定了基础.     

碳／碳复合材料薄壁结构在热声载荷作用下的动态响应

高速飞行器中大量使用复合材料薄壁结构,高温和强噪声联合作用的工作环境使复合材料薄壁结构表现出强非线性振动响应特性和复杂的运动形式。以四边固支碳／碳（C／C）复合材料薄壁结构为研究对象,采用有限元法计算了其在不同温度和声压级（SPL）组合下的振动响应。得到了典型的振动响应运动形式,包括屈曲前的随机振动、屈曲后的跳变运动和围绕一个平衡位置的随机振动。结合振动响应的概率密度、功率谱密度,随着温度和声压级的变化,对振动响应的非线性特性进行了分析。结果表明,热载荷和声载荷对响应非线性特性的影响方式不同,强噪声载荷引起的问歇跳变降低了结构的刚度。     

X-cor夹层结构的平拉性能

研究了Pin植入角、Pin直径和Pin材料对X-cor夹层结构平拉强度及平拉模量的影响。平拉性能试样采用Rohacell 31泡沫作为芯材,Pin采用不同直径的T300/FW-63和SC-240/FW-63拉挤细杆。结果表明,X-cor夹层结构平拉强度增强效率随着植入角度的增加先增大、后减小,平拉模量的增强效率则随植入角的增加而减小;随Pin直径减小,平拉强度增强效率增加,平拉模量增强效率降低;不同Pin材料对X-cor夹层结构平拉强度增强效率相同,高模量的Pin对X-cor夹层结构平拉模量的增强效率更高。     

小冲击间距下带倾角冲击凹柱面流场结构实验研究

针对带倾角冲击凹柱面靶板的流动特性和流场结构研究,采用烟线法开展了流场显现实验研究,重点分析了旋流产生和发展的规律。试验中通过改变冲击雷诺数、冲击间距比(冲击间距和冲击孔直径之比)、冲击角度以及凹柱面相对曲率等参数,分析了涡出现的位置、结构等随这些参数的变化规律。研究结果表明:由于冲击射流同周围静止空气之间的粘性作用、气体在凹柱面上运动、脱离的共同作用下,带倾角冲击凹柱面靶板产生了不同的旋流结构。实验中,随冲击雷诺数的增加,在冲击滞止区域两侧流体冲击靶板分离处的圆心角增大,分离推迟;由于冲击角度的影响,相对冲击角度较小侧射流与壁面分离比在较大侧提前,且在相对冲击角度较小侧更容易产生旋流结构。实验中改变的参数均影响了旋流结构及其发展特性,并且影响规律表现出较强的关联性。     

大跨度空间结构典型形体风压分布风洞试验研究现状

随着科学技术的发展和施工工艺的进步,各种外形美观、结构新颖的大跨度空间结构得到了广泛的应用。这类结构往往对风荷载十分敏感,其屋面几何形状对表面风压分布有着重大影响。不同形式的屋面,表面风压分布有很大区别;即使屋面整体形式相同,但由于其矢跨比(f/D)、长跨比(L/D)等几何参数的不同,也会使屋面风压分布发生较大变化。对此,目前尚无详细规范可依。本文回顾了几类典型空间结构的风洞试验,总结了这几类结构的屋面几何形状与风压分布之间的变化规律,为大跨空间结构风压分布规律确定及气动优化设计研究提供参考。     

长拉杆-止口连接弯曲刚度损失及对转子系统振动响应影响

航空燃气轮机为了实现高负荷、轻质化的追求,在转子结构设计中,趋向于提高转速和加大长径比。这使得转子系统弯曲模态临界转速降低,转子在工作转速范围内不可避免会产生一定的弯曲变形。转子弯曲变形会影响连接结构界面接触特性的变化,使其连接结构局部弯曲刚度产生损失。因此,对于工作转速靠近弯曲临界的高速转子系统,需要考虑连接结构界面接触状态变化对转子系统振动特性的影响。以高负荷的长拉杆-止口连接转子系统为对象,分析连接界面接触应力分布特性,提出连接结构弯曲刚度损失修正方法,以此为基础建立界面连接转子动力学模型。通过对止口连接三级轴流压气机转子结构动力学特性的仿真和试验研究表明,在靠近弯曲振型临界转速下,转子连接界面接触状态的变化会产生弯曲刚度损失,对转子动力学特性具有显著影响。     

可压缩湍流边界层近壁区马蹄涡的演化

采用大涡模拟方法对可压缩槽道湍流进行了数值模拟.通过给定扰动波方法确定进口边界条件,很快得到了完全发展的湍流.利用动态亚格子模型、预处理技术以及高阶格式和方法,得到了精确的数值结果.计算得到的速度剖面和脉动分量与直接数值模拟的解进行了对比,验证了计算结果的可靠性.结果清楚地展示了湍流场中马蹄涡的生成和演化过程,包括对称涡腿、单侧涡腿的马蹄涡结构,以及流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象.分析了湍流边界层近壁区可能出现的复杂的马蹄涡结构,及其涡结构形状也不严格对称的现象.