上面级结构模态试验与分析技术

文章介绍了MOTOROLA模拟星+上面级适配器的模态试验技术与分析计算技术,给出了如何用试验与分析相结合的方法来解决复杂结构的动特性问题,其中包括识别复杂空间密集模态的试验技术,广义结构的模态计算技术、以及试验与计算相结合的技术.     

马丁·玛丽埃塔公司研制的一种低温上面级

本文较详细地介绍了美国马丁·玛丽埃塔公司最近研究设计的一种低温上面级的布局、结构和性能。目前已设计的大推力和小推力两种型号都使用了相同的环形贮箱结构,其目的是要降低上面级的生产成本。使用这种上面级后预计可提高运载火箭和轨道器运载有效载荷的能力。     

固体火箭发动机模态分析的缩聚方法

对于一些复杂结构的模态分析，要得到能够指导工程设计的结果，几何模型和力学模型划分单元必须足够多，这必然耗费大量的空间和时间资源，并导致计算困难。文中以某上面级固体火箭发动机模态分析为例，利用有限元法、固定界面法和Guyan缩聚法进行自由度缩聚后再进行模态分析，分析结果令人满意。     

多星发射上面级姿态变结构控制方法研究

根据上面级飞行器存在强控制耦合和惯量耦合特性,基于上面级刚体姿态动力学简化模型,由变结构控制理论设计了上面级姿态控制律。采用趋近律减轻变结构控制引起的系统抖振。仿真结果表明：设计的控制律可自动适应强耦合对象特性,具强鲁棒性,使系统在有限时间收敛、精确跟踪。     

运载火箭上面级姿控技术研究

开展了运载火箭上面级姿态控制技术研究,对国内外运载火箭上面级发展情况进行了分析,给出了上面级发展趋势,并对上面级姿态控制技术设计的难点进行了分析.     

美国新型低温上面级的预研情况

二十五年来,美国宇航局和美国空军一直打算开展多种先进的低温上面级的研制,如 AMPS、OOS、STV、TUG,HEUS、OTV、AUS 等等,但到现在为止,都还始终处于预研阶段,人马座上面级仍在继续改进。利用现有的经费研制一种全新的上面级,以获得比人马座更佳的工作性能和经济效益,这种情况迄今还没有体现出来。本文简要介绍通用动力公司预研的几种先进的上面级方案和基本费用情况。迄今为止,在美国的上面级序列里,只有人马座是采用液氢/液氧推进剂的高能上面级。它已随宇宙神和大力神运载火箭发射了约80次。对人马座继续改进的重点是增加可靠性、降低发射费用、增加滞空时间等。但是,在美国航天界一直存在两种倾向的经费投向,一种是为改进人马座继续投资,另一种则认为应开始研制一种全新的高能上面级,通用动力公司对改进人马座和研制新型上面级两方面部很感兴趣。研制一种全新型的发动机、具有一体化健康管理(IHM)功能的控制系统组成的全新型上面级及其地面辅助设施将需资金20亿美元左右,而其工作性能也许只比人马座提高约10%,这样,研制一种全新型的上面级将是不经济的,除非有特殊的要求,如需要进行载人月球或火星环绕旅行任务,否则,将不会开展全新型的上面级研制。     

上面级直接入轨卫星星箭供电接口设计与验证

针对上面级直接入轨卫星转移轨道阶段用电需求如何解决的问题,文章根据上面级供电接口通用设计原则,从电源拓扑、箭内星用电池、供电安全等3个方面提出"一箭双星"上面级直接入轨卫星星箭电接口具体设计方法,并对其发射应用情况进行了总结。应用结果表明,该设计可以满足卫星与上面级分离前5h以上的用电需求,可以为各类型的上面级直接入轨卫星星箭供电接口设计提供参考,解决转移轨道段用电难题,提高卫星用电效率和可靠性。     

一种运载火箭时变结构模态参数辨识的确定性演化方法

针对运载火箭的时变结构模态参数辨识问题进行研究,基于时变自回归滑动平均(TARMA)模型,提出一种时变结构模态参数辨识的确定性演化方法。该方法利用小波基函数的良好局部函数拟合能力,将墨西哥帽小波函数作为TARMA模型时变系数的空间基底,构建了基于小波函数的泛函序列时变自回归滑动平均(FS-TARMA)模型,并发展了两步最小二乘估计方法,实现了时变系数的解耦估计。通过有限单元法,建立了阿里安V号芯级运载火箭时变有限元模型,对所提辨识方法进行了验证,结果表明:墨西哥帽小波基FS-TARMA方法能够有效地辨识系统的时变模态参数;与传统傅里叶基FS-TARMA方法相比,具有更好的辨识精度,并且能够准确地反映出模态局部细节特征。     

改进模拟退火算法的喷管动力学模型修正

为获得液体火箭发动机喷管高精度的结构动力学有限元模型，提出一种基于改进模拟退火算法（Improved Simulation Annealing Algorithm，ISAA）的有限元模型修正方法。首先，将复杂的薄壁夹层板喷管等效为复合材料层合壳，建立喷管的参数化有限元模型；在此基础上，以结构模态参数为参考基，构造出联合使用模态频率及模态振型的目标函数，并运用灵敏度分析提取设计变量，从而建立其优化模型；提出带记忆、局部搜索功能的改进模拟退火算法，运用ISAA在设计空间进行多目标全局寻优；最后，采用基于MSC Patran/Nastran软件平台二次开发的结构动力学模型修正软件ZDXZ V1.0进行模型修正，并对模型修正方法的有效性进行了校验。结果表明，修正后喷管的前3阶计算模态频率与试验值相对误差小于2%，振型相关性最小MAC值大于0.9，大大提升了喷管模型的动力学符合性，模型精度满足工程应用要求；表明所述模型修正策略的有效性，该方法具有高效、强鲁棒性等特点，适合于大型复杂结构的模型修正。     

基于转子动力学特性分析的局部共振诊断研究

建立了支承局部共振动力学模型,给出了利用振动数据进行局部共振频率预测的方法。进行了转子动力学试验,试验转子含有2个盘和2个支承并固定到柔性摆架上,试验中出现单个支承外传力超限,但盘的振动位移幅值较小,且有上升趋势的现象,符合支承局部共振的特征。利用局部共振频率预测方法对振动数据进行处理,得到了理论预测的局部共振频率。进行了模态试验,得出的局部共振频率与理论预测吻合,同时也验证了局部共振诊断。结合模态振型对摆架进行了改进,改进后,消除了该处局部共振。     

基于三维有限元模型的弹翼胶接结构胶层应力分析

目前对复合材料胶接修理结构中胶层的模拟多采用二维平面单元,不能有效模拟胶层在外载荷作用下的真实应力状态。考虑某飞行器弹翼修理时形成的复合材料双面胶接结构承受载荷后处于三维应力状态的情况,建立了该修理结构的三维有限元模型,计算出单向拉伸条件下胶层的剪应力,并与Hart-Smith解析解进行对比。分析结果表明三维有限元模型正确、合理。利用所建立的模型分析胶层的剪应力和剥离应力的分布特点,得出胶层破坏的失效顺序,为胶接修理结构的承载能力分析以及结构改进提供参考依据。     

BTT导弹的自适应滑模反演控制设计

针对具有非匹配不确定性的BTT导弹非线性动力学模型,结合反演控制、自适应控 制和 滑模控制方法,设计了一种新颖的BTT导弹自适应反演滑模控制器。反演设计的每一步中均 采用具有范数型切换函数的连续滑模控制律,并采用自适应算法对不确定性的上界进行估计 。将虚拟控制量的导数作为不确定性处理,利用自适应滑模控制的鲁棒性对其进行补偿,解 决了“计算膨胀”问题,简化了控制系统的设计,并且设计中无需事先已知气动参数摄动 的上界。采用Lyapunov稳定性理论证明了跟踪误差最终有界。仿真结果显示了本文设计方法 的有效性。

     

高压储气罐有限元分析

本文以ANSYS软件为基础,对高压长圆柱形天然气储运罐进行变形分析、应力分析,得到了储气罐的应力分布状态,分析了在壁厚方向及沿着罐壁方向上的应力变化。所得结果和理论结果吻合。此基础上,完成了气罐模态分析,得到了气罐的各阶固有频率及振型。计算结果表明计算方法有效,为进一步设计高压气罐提供了理论依据。     

北斗三号卫星与上面级供电相关接口分析及验证

卫星采用运载火箭上面级发射入轨期间,经历了由大椭圆轨道至圆轨道的过程,飞行姿态经历了变轨、慢旋、分离后巡航等多个阶段。在太阳翼展开前,卫星要经历比自身变轨更为恶劣的高低温环境及能源紧张等供电风险。在分离时刻的太阳翼碰撞或干涉安全性也需要重点关注和分析。针对北斗三号一箭双星采用上面级直接入轨方式的特点,分析了卫星与上面级间的供电和热设计接口,并从双星分离安全性角度考虑,分析影响卫星与上面级接口安全性的主要要素,并对应用和验证情况进行总结。     

基于拟欧拉角描述的上面级姿态控制律设计

上面级在多星部署过程中将涉及大角度姿态机动问题,卫星释放所引起的质心横移将给上面级姿态控制带来困难。根据系统质心的横移情况,在上面级体坐标系中确定矢量喷管的平衡位置,进而确定出矢量喷管指向指令方向时的上面级姿态。调制姿态四元数可以得到描述上面级姿态偏差的拟欧拉角及相应的拟欧拉角速度,在拟欧拉角描述的上面级姿态运动模型的基础上,选择合适的滑模面,构造变结构控制律。仿真结果表明,该控制律可对上面级姿态进行控制,进而实现对矢量喷管指向的间接控制,喷管摆角的限幅不会影响姿态控制的过程。     

拦截弹自适应最优滑模制导和控制一体化设计

针对传统制导和控制分开设计在拦截高速机动目标时的缺陷,设计了一种自适应最优滑模制导和控制一体化算法。首先基于零化视线角速率的思想,建立了制导和控制一体化模型;然后选取视线角速率为滑模面,结合HOSM鲁棒精确微分器参数,提出了一种最优滑模一体化制导和控制算法;最后设计了一种不确定性上界的自适应估计算法。仿真结果表明,与传统的制导和控制分开设计相比,所设计的一体化方法使得拦截弹具有更小的脱靶量,且姿态变化更加平稳。     

橡胶"O"形密封圈结构参数和失效准则研究

利用大变形、接触的非线性有限元理论建立了某固体火箭发动机密封结构的二维轴对称模型,用有限元软件计算出该结构在工作状态下的变形和应力。通过计算可知,在橡胶“O”形密封圈与上下法兰接触的位置产生最大的接触压应力,在密封槽槽口转角位置产生最大的剪切应力。对密封性能的各结构参数进行了分析,讨论了上下法兰张开间隙、初始压缩率、密封槽槽口及槽底倒角半径、密封槽宽、密封圈材料等典型参数的影响:上下法兰张开间隙、密封圈的初始压缩率对最大接触压应力的影响较大,而密封槽槽口和槽底处倒角半径对剪切应力影响明显。三维壳体结构的有限元分析结果表明,上下法兰在内压作用下产生不均匀的张开间隙,体现了三维结构的特点。不均匀的张开间隙与二维轴对称结果对比可知,以最小间隙作为设计间隙,二维轴对称分析模型可取代三维模型来分析该结构的密封性能。最后,确定了“O”形圈密封结构的最大接触应力和剪切应力失效准则。     

轻质复合材料夹芯结构设计及力学性能最新进展

从设计、制备和力学性能方面对轻质复合材料夹芯结构的最新研究成果进行总结,包括复合材料点阵夹芯结构、褶皱夹芯结构以及蜂窝夹芯结构对应的拓扑构型设计和制备工艺,重点从力学性能的理论预报、力学性能实验表征和失效模式分析等角度评述了性能改进的最新研究。通过对轻质复合材料夹芯结构最新研究进展的总结与分析,展望了点阵夹芯结构、褶皱夹芯结构和蜂窝夹芯结构的发展趋势及可能应用领域。     

自由—自由结构振动模态的一阶导数

空间飞行器和车辆等一大类结构属于自由—自由结构。本文讨论这类结构的振动模态－阶导数计算问题，提出了一种改进的截尾模态展开法，将未知模态对模态导数的贡献用已知模态和系统矩来表达。针对刚度阵奇异问题，提出了移位措施，通过选择的移位系数，不仅解决了奇异问题，而且加速了算法的收敛速度。给出了一个数值例子，算例表明本文方法十分有效。     

转动惯量未知的再入飞行器姿态容错控制

针对升力式再入飞行器再入过程中执行机构发生故障的情况,基于反步法思想,设计了一种无需飞行器转动惯量信息的姿态容错控制律,同时,该控制律能有效地抑制外界干扰。控制律的设计除了给出稳定性证明外,还给出了误差上界与控制参数的关系。以临近空间飞行器X-33为模型进行了数学仿真,结果表明了该控制律的有效性。