空间站舱段精细化声振耦合建模与仿真

在空间站长期飞行中,持续、过度的噪声环境会危害航天员的身心健康,并影响工作效率。空间站设备功率大、噪声源数目多、噪声指标严苛,给噪声控制和设计带来很大的挑战。为确保舱段噪声指标满足要求,基于声学有限元方法,根据已掌握的噪声源频谱特性、舱段构型布局、设备安装方式等建立整舱复杂声振耦合精细化噪声仿真模型。对环控、热控及推进分系统等多种噪声源单独工作或同时工作时密封舱内的噪声进行仿真,得到舱内低频噪声水平特性分布。结果表明:声振耦合下舱内的总体噪声水平远高于不考虑声振耦合的情况,并导致三个航天员睡眠区头部的声压级分布差异较大。此外,睡眠区粘贴吸声材料后,对高频段的吸声降噪效果明显,对中频段有一定的降噪效果,但对低频段几乎不起作用。     

空间站核心舱俯仰机组热设计及在轨验证

为验证核心舱俯仰机组热控设计能满足空间站任务期间任何工况对机组温度的要求,运用I-DEAS/TMG软件,通过仿真分析确定了核心舱俯仰机组所需的加热功率及被动热控措施,预示了极端高温工况下的最高温度。在轨飞行情况表明：（1）俯仰机组飞行温度验证了理论计算的正确性,二者之间的偏差约3.2%,为后续在轨任务的圆满完成提供了保障。（2）喷管受太阳照射面积越大,头部及电磁阀温度越高。在太阳角为60°时,喷管受照面积最大。（3）低温工况下,有推进剂流道的机组头部和电磁阀温度高于8℃,满足高于0℃的指标要求。（4）惯性飞行姿态对俯仰机组而言,属于高温工况。跟以往飞船系列俯仰机组的被动热控设计不同,核心舱俯仰机组被动热控设计保证了电磁阀温度低于40℃,为电磁阀在合适的温度范围内可靠工作提供了保障。     

穿舱路径对空间站内航天员定向任务绩效影响的仿真试验研究

航天员在空间站内的不同舱段间穿行时常常会遇到失定向的问题。为了探究不同穿舱路径对航天员完成定向任务的影响,建立了多舱段的空间站虚拟环境,并开展试验,研究了不同穿舱路径中完成定向任务绩效的差异。结果表明:定向任务的绩效在不同种类的穿舱路径间具有显著差异,失重条件下运动方式的变化会造成定向任务绩效的下降。研究结果可以为航天员空间站内定向训练和空间站内导航辅助标识的设计提供参考。     

空间站姿态控制系统实时仿真研究

研究了五棱锥构型的单框架控制力矩陀螺群作为执行机构的空间站姿态控制系统的实时仿真问题.根据空间站姿态控制系统的实时分布式仿真要求设计了仿真节点结构,综合了四种网络连接形式构建系统的实时网络环境,说明了仿真系统软、硬件平台的选择,以及系统仿真中的调度设计问题.最后对整个系统进行了分布实时仿真,运行结果说明了这种空间站姿态控制系统方案是可行的.     

声振环境下航天器结构应力时程分析

航天器发射段严酷的声振环境可能造成薄壁结构上产生一定的裂纹损伤,评估这种裂纹损伤的重要前提是获得结构最大应力的时间历程。针对该问题提出一种航天器结构声振环境下应力时程分析方法。首先基于统计能量分析得到薄壁构件空间平均弯曲应力功率谱,然后基于应力翻倍原则考虑边界条件对应力集中的影响,获得薄壁构件上最大应力的功率谱,最后用随机相位正弦波叠加的方式对最大应力的时间历程进行模拟。针对某载人航天器,采用该方法计算其在发射主动段声振环境下的结构响应,分析其响应特性,得到了密封舱薄壁球底上法兰盘附近最大弯曲应力的时程,并采用雨流计数法对其循环计数特性进行了分析。研究结果可为航天器薄壁结构裂纹损伤评估提供参考。     

空间站柔性展开机构仿真方法研究

空间站展开机构是典型的大型多柔体系统,其展开收拢过程涉及非线性大变形以及接触碰撞问题。首先采用绝对节点坐标法作为柔性体的建模方法,建立了梁单元的有限元单元格式,然后基于拉格朗日方法和Hertz接触理论建立了考虑接触碰撞问题的柔性多体系统动力学方程,采用向后差分方法数值求解柔性多体系统的微分代数方程,最后以自由梁、简支梁和柔性单摆进行数学仿真验证。结果表明,该方法可用作我国空间站大型柔性太阳电池翼的设计分析参考。     

空间站微重力环境研究与分析

太空中的微重力环境对基础科学研究和新技术开发具有重要意义,为了满足未来我国空间站开展微重力科学实验的需求,需要对空间站上的微重力水平进行分析和评估,指导高微重力要求实验载荷的布局和微重力实验期间的飞行任务规划。空间站上的微重力水平用加速度值度量,通常可以分为准稳态加速度、瞬态加速度和振动加速度。针对此问题调研总结了国际空间站的微重力研究情况,并以400 km轨道高度上100吨级"T"字型积木式空间站作为算例,估算其准稳态加速度大小及分布,并初步分析瞬态加速度水平的量级。结果表明,空间站准稳态加速度水平在1μgn量级,主要贡献来自重力梯度效应;瞬态加速度可达103μgn量级。文章对将来我国空间站微重力应用支持的设计工作有一定的借鉴意义。     

空间站运营物资需求预测建模与仿真研究

针对空间站物资消耗多样化特点,建立了空间站离散类物资和连续类物资的消耗模型,从多个角度分析了现有预测方法在空间站物资补给预测中的适用性,并基于离散与连续类物资相区别的研究思路,对空间站连续类物资消耗预测方法进行理论分析和仿真验证。以航天食品为例,分析其在空间站长期运营期间的消耗特点及规律,采用时间序列、因果回归等预测算法进行仿真对照分析,提出了与在轨任务相关联的空间站连续类物资需求预测方法。研究成果可为空间站运营物资补给预测深入研究提供参考。     

捷联惯导系统在声振综合环境下的动力学响应特性研究

随着导弹等航天器飞行速度的提高,环境噪声的影响已不容忽视,声振综合环境将成为惯导系统等弹上电子设备通常需要面对的力学环境条件。文章论证了有限元法适用于对捷联惯导系统这类结构紧凑型设备进行宽频域声振耦合计算,仿真计算了捷联惯导系统声振耦合模型在声振综合环境下的动力学响应,对比分析了捷联惯导系统在声振综合环境下与在单独随机振动环境、单独噪声场环境下动力学响应的联系、区别以及自身新的特点。研究结论可为设计和评估地面力学环境试验、预示与分析惯导系统在综合环境下的环境适应性提供理论依据。     

民机空调组件舱通风仿真计算研究

民机的空调组件舱位于非增压区,其内部包含有换热器、压缩机等高温环控组件。为避免高温对舱体结构产生危害,需要采用冷却措施。以某机型的空调组件舱通风冷却方案为参考,建立了空调组件舱通风系统的几何模型,并以此模型为基础进行了CFD仿真计算。对计算结果进行分析后,提出了方案的缺陷,并为后续的方案设计提出了关注点。     

基于混合FE-SEA法的高温环境飞行器宽频声振特性分析

针对高超声速飞行器在服役中的高温和高声强环境,分别从高温引起的结构附加热应力和材料物性改变出发,以X-43A为研究对象,使用混合有限元—统计能量分析(FE-SEA)法对其在高温环境、165 dB声压作用下的声振特性进行数值分析.建立由结构FE模型和内声场SEA模型构成的混合声振系统,得到1800 Hz宽频范围内结构表面...     

航空发动机中央锥齿轮声振特性试验研究

航空发动机锥齿轮声振特性的确定对于锥齿轮的研制具有重要意义。为研究航空发动机中央锥齿轮的声振特性，根据齿轮声振信息辨识原理，利用声导管技术在齿轮部件试验器中获取原始空气声。分析发现，啮合频率幅值的变化能够对齿轮行波共振特性实现完全表述，不仅可反映从动轮的声振特性，同时也能反映主动轮的声振特性，边频信息则反映了齿轮的故障信息。与应变片测量结果和设计计算结果对比分析证明，声学测试是获取齿轮声振特性的有效方法。     

钝圆柱体分离流动声振控制的实验研究

在Ｒｅ＝３．０＊１０＾４－１．０＊１０＾５的范围内,实验研究了声激励对钝圆柱体分离动的影响,分离剪切层发展演化的改变,给出了最佳声激励频率范围,并探讨了声激励控制分离流动的作用机理。研究结果表明,最佳激励频率范围具有普适性,该结果对工程实际具有一定意义。     

直升机附件舱流场和温度场的数值仿真研究

建立了某型直升机发动机附件舱内流动和传热的数学模型,利用 k-ε二方程紊流模型模拟舱内流动,应用非结构化网格与网格自适应技术进行区域离散化,采用有限容积法对附件舱内的空气流场和温度场进行了三维数值仿真和分析,为附件舱冷却系统的改进和优化设计提供了依据。结果表明,附件舱冷却系统可以满足舱内冷却要求。     

声激励下机身舱段内传声器布放方法研究

民用飞机客舱和飞机驾驶舱必须要有相对较为安静的声环境,研究机身舱段在声激励下的舱段内声场分布情况具有很重要的意义。以Y7机身声学试验平台为研究对象,主要研究声激励下测量机身舱段内声压级分布图时,传声器的布放方法及位置。为了准确而有效的得到机身舱段内声压级的分布图,在声压级测量过程中引入了插值泫,并分析捅值法在机身舱段内传声器布放方法研究中的应用。最后在半消声室内进行机身舱段内声压级的测量试验,通过试验验证了插值法在飞机机身舱段内声压级分布图中的可行性和有效性。研究结论对以后的测量工作有一定的实用价值。     

高温环境激光测振实验研究

根据激光测振原理,搭建了一套高温环境下的激光测振试验系统。利用该系统进行实验,分析了动圈连接杆对振动的传递效果,在中频下的传递误差较小,高频下传递误差较大,并为激光测振实验选取了合适的激励频率。进行了高温环境下的比较法测振和激光测振实验,通过与参考加速度计的测量结果进行对比,得到高温下的比较法测振和激光测振相对误差,并对误差影响因素进行了分析。实验表明,激光测振能够弥补压电加速度计在高温下测振的不足,且具有较好的稳定性和较高的精度。     

裂纹故障齿轮结构声振特性与模拟研究

将齿轮结构按照圆盘来等效处理,建立了故障齿轮的动力学分析模型与声学模型,分别分析了径向裂纹和弧向裂纹情况下齿轮体的振动辐射声压与声场指向特性,研究了裂纹对齿轮结构辐射声场特性的影响.综合利用ANSYS及MATLAB软件模拟计算得到裂纹齿轮结构在r=0.5 m球面上的声压指向分布及轴向声压分布,探讨了不同的裂纹类型和不同的裂纹大小对齿轮结构振动声特性的影响程度,通过对模拟研究结果的分析比较与评价来说明裂纹的位置、形状以及裂纹大小对齿轮结构声场特性的影响大小和影响规律,为采用声学方法来诊断齿轮故障奠定了基础.      

飞机发动机模拟舱火灾蔓延规律数值仿真研究

为了研究飞机发动机舱火灾蔓延规律,针对飞机发动机舱易发生的油池火和喷雾火2大类型火灾场景,利用 CFD仿真技术,对某型飞机发动机模拟舱开展了火灾蔓延规律仿真。研究表明,飞机发动机舱结构会对其内部流场和油池火燃烧状态产生较大影响。外界通风流场在肋板处将发生绕流现象,会影响内部的气体流动,进而影响油池火的蔓延规律,油池火将稳定在起火点附近燃烧。相较于油池火有肋板结构的影响,喷雾火呈现更为稳定的贴壁蔓延。在外界风流的作用下,2种类型的火焰发生后,将迅速沿着发动机表面向发动机舱出口处蔓延。由于内部发动机和肋板等结构的影响,火焰在发动机舱尾部呈卷绕状蔓延,尾部火焰面积增大。火灾发生后,火焰周围局部燃烧温度将超过1200 ℃,对发动机舱结构影响极大,需迅速对火灾有效防控。     

航天员舱外活动安全绳虚拟现实操作仿真方法研究

为了解决航天员舱外活动虚拟现实训练仿真中安全绳的逼真仿真问题,分析了安全绳的结构组成和神七任务航天员出舱过程微重力下的安全绳变形规律,对安全绳采用质点-直线弹簧-弯曲弹簧模型建模,使用基于位置的仿真方法计算了安全绳的变形,给出了安全绳的仿真参数,建立了航天员舱外活动安全绳操作仿真系统。开展了受试者试验,仿真结果表明,仿真方法实时有效,可为航天员虚拟现实舱外维修仿真提供基础算法。     

飞机机轮摆振的数字仿真

采用液压减摆器的流体力学模型代替摆振分析中常用的线性或二次阻尼系数,模型中考虑了油液压缩性的影响,采用变化的油液体积弹性模量。采用仿真方法研究飞机机轮的摆振问题。应用快速富氏变换从时域响应获取摆振频率信息。仿真结果与0批K8飞机的滑行实测结果进行了考核对比,仿真所得摆振幅度、频率和含气率等因素对摆振的影响均与实测吻合。