贮箱液固耦合振动分析的数值研究

 <正> 线性液固耦合系统有限元分析的理论研究比较充分。但有关理论结果的数值研究仍需深入,以便能生成工程中实用的有限元液固耦合分析系统。位移法(或拟弹性法)因其零能模式的分离问题,带来了实用上的困难。压力-位移模式需要对有限元矩阵对称化。lrons曾提出一种对称化方法,但在数值实施中往往无法应用。文献[2]、文献[6]曾给出了另外三种对称化途径,但还没有进行数值上的探讨。本文目的在于探讨数值上可行的对称化方法,生成有关程序块.以便发展成为压力-位移模式的工程应用软件。作为算例,研究了贮箱的耦合振动问题,重点考虑了自由面波的影响。     

下一代航天器的多用途贮箱

单组元和双组元推进系统已确定用于下一代航天器的轨道转换与姿态控制上,包括应用于通讯卫星、地球资源卫星、维修及补给卫星、气象卫星和防御卫星。基于上述应用的多用途貯箱是一种改型维金轨道器(VO-75)的圆筒形容器,直径为91厘米并有半球形封头,它92能用于航天飞机又能用于一次使用的助推火箭。本聍箱备有各种被动式全金属推进剂管理装置,以满足各种不同任务对加速度、流量、压力值、增压形式和轨道飞行中的晃动控制所提出的各种各样的要求。对各种装置的工作情况均结合其通用性和局限性来予以说明。对容积、重量、排空效率、容积效率等貯箱系统参数和相对成本,本文亦作了简介。     

高超声速飞行器流-热-固耦合研究现状与软件开发

新一代高超声速飞行器流-热-固耦合问题研究对准确评估与设计飞行器热防护系统结构尤为重要。回顾了高超声速飞行器流-热-固耦合问题的发展历程与现状。从物理含义出发,对高超声速流-热-固耦合问题各学科间的耦合关系以及各自的建模方法进行了归纳。对高超声速飞行器流-热-固耦合问题的研究进展,特别是流-热-固多场耦合分析策略/方法进行了总结。从平台框架、功能模块、耦合方法和技术特点等方面,对中国空气动力研究与发展中心自主研发的热环境/热响应耦合计算分析平台(FL-CAPTER)进行了阐述。最后,对高超声速飞行器流-热-固耦合发展所面临的问题和发展趋势进行了讨论。     

离心式压气机流-热-固耦合分析

利用松散耦合方法建立离心式压气机稳态流-热-固耦合模型,将离心式压气机解耦成气动、传热和结构三个子系统,子系统间存在热、力和变形的传递。由于不匹配的网格划分,利用反距离平均方法构造插值函数实现热与力向结构的传递,采用统一有限元模型实现热-固顺序耦合分析,利用网格重生成技术实现结构变形到气动分析模型的传递。经过3次迭代离心式压气机耦合系统达到收敛。结果表明,分析的离心式压气机内部流-热-固耦合强烈,耦合解法与非耦合解法得到压气机响应存在较大差异,对于多学科耦合强烈的构件,需要考虑学科间的耦合效应反应真实的工作状况。     

弹射动力系统燃气发生器流热固耦合数值研究

为了判断弹射动力系统燃气发生器工作的安全性,需要预示工作过程中燃气发生器壳体的力学响应。基于软件CFX和ANSYS,建立了燃气发生器复合结构流热固耦合仿真模型。对燃气发生器内流场和结构温度场进行流热耦合计算,并将壳体温度场计算结果与试验数据进行对比,再将算得的燃气压强分布与结构温度场分布导入ANSYS以计算结构的力学响应。计算结果表明,燃气发生器工作过程中,直筒段最高温度点位于直筒段与后封头连接的绝热层缝隙处,后封头最高温度点位于后封头与喉衬配合部位的上游端。结构最高温度值仅354K,说明热防护良好;直筒段和后封头壳体主体区域应力安全系数>3,满足设计要求,而在法兰附近圆角过渡处外壁存在应力集中,最大应力处安全系数降为1.13,燃气发生器壳体仍处于安全状态,但存在安全裕度显著降低的风险。     

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅰ)贮箱的有限体积模型

从准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型出发,通过数值拓展和集成建立了一种考虑流体与箱壁传热的低温推进剂贮箱分布参数模型.流场采用一维交错网格的有限体积模型,可考虑变物性、轴向热传导、重力场、壁面传热影响;壁面温度场采用圆柱坐标系下的轴对称二维有限体积模型,可处理对流换热和辐射换热两种边界情况,可处理具有包覆层或真空夹层结构的变物性管壁传热.模型全面考虑了贮箱内的分布参数效应,适用于贮箱增压计算领域.      

基于ALE流固耦合方法的刷式密封泄漏特性理论与实验研究

现有刷式密封流固耦合求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算。本文提出了基于ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)流固耦合方法考虑刷丝变形接触的三维瞬态双向流固耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性和可观测刷丝运动轨迹的实验装置。实验研究了刷式密封刷丝运动状态对泄漏特性的影响,不同压比条件下的泄漏特性变化规律,在验证刷式密封流固耦合求解模型准确性基础上,数值分析了不同时刻刷式密封速度分布与刷丝运动状态,并研究了不同结构参数对泄漏特性的影响规律。研究结果表明:基于ALE流固耦合方法解决了传统刷式密封求解模型因刷丝变形接触导致网格畸变而难以计算的问题,可准确计算刷式密封流场特性和力学特性;刷式密封刷丝吹下效应会降低泄漏量,刷丝颤振现象主要发生在气流入口处的前排刷丝域,会引起泄漏量增大,在气流力作用下,刷丝束轴向厚度变小,有利于减小泄漏量;在本文研究条件下,刷丝固定端与自由端的中间部位最先发生变形,随着时间的变化,气流速度逐渐趋于稳定,最大速度出现在末排刷丝与后挡板接触位置,刷丝自由端变形最大;刷式密封泄漏量随径向密封间隙的增大而增大,与径向密封间隙0mm时相比,径向密封间隙0.2mm时泄漏量增加了51.6%～62.8%。随着刷丝排数的增大,泄漏量逐渐减小,当刷丝排数大于25排时,其对泄漏量影响较小。随着刷丝间隙、刷丝与后挡板之间的轴向间隙、后挡板保护高度的增大,泄漏量先逐渐增大后趋于平缓。     

结构隔绝内-外空间的流-热-固耦合仿真应用

为验证和指导高速飞行器的防隔热设计,准确地模拟气动热产生的热量穿透防隔热材料进而影响舱内温度空间分布和时间变化的过程,研究了一种同时求解机体外流场及气动热、机体结构传热及舱内流场温度场仿真计算方法,其中的传热方式包括热传导、热对流及热辐射。采用两套计算模型、两种求解器、一个数据交换文件的计算结构,构建了一种针对流场-热-结构的多场耦合分析方法,实现了对固体隔绝内外流场温度动态变化问题的仿真分析。最后通过计算实例验证了整套计算方法,得到的飞行器舱内温度变化特性能够用于指导高速飞行器的防隔热设计。     

基于流热固耦合的航空发动机涡轮叶片仿真分析

为真实模拟某型民用航空发动机涡轮叶片的实际工作状况,需要同时考虑气动力、热应力、离心力三者共同作用,找出该型民用航空发动机涡轮叶片的疲劳危险部位。本文基于某型民用航空发动机实际快速存取记录器（QAR）飞行数据,利用ANSYS Workbench仿真软件对航空发动机涡轮叶片进行流热固耦合有限元仿真分析。结果表明,涡轮叶片等效应力和等效应变云图变化基本一致,最大应力和应变出现在涡轮叶片叶身与缘板交接处的前缘和后缘,最大应力和应变分别为4601.4MPa和0.026,且与其他部位数值相差较大,可将其列为疲劳危险部位,为后续研究涡轮叶片寿命预测分析和结构优化提供技术参考。     

复合材料贮箱在航天飞行器低温推进系统上的应用与关键技术

复合材料低温贮箱的研制与开发是集合了多学科的复杂科学工程。航天技术的发展对航天飞行器性能提出了更高的要求,使得低温推进系统成为了研究重点。为了进一步提高航天器的性能,必须从结构的减重入手,贮箱作为低温推进系统中最大的部件,成为了未来重点发展方向。用碳纤维增强复合材料(CFRPs)代替铝合金用于制备可重复使用飞行器(RLV)的燃料贮箱成为近些年各个航天大国的重点研究方向。本文介绍了复合材料低温贮箱在航天飞行器领域研究与发展的过程,介绍了复合材料低温贮箱的一些典型型号,总结了发展复合材料低温贮箱所需解决的技术问题。     

航空发动机空间管路系统的流固耦合振动特性

为了分析航空发动机空间管路系统的振动特性,提出了一种采用自定义管单元建立输液管路流固耦合有限元模型的方法.模型中的自定义管单元考虑了管路的横向流固耦合振动、轴向振动和周向扭转振动.管路系统中的支承采用非线性弹簧单元模拟.通过将自定义管单元的仿真结果与试验测试数据和经典理论解进行比较,验证了自定义管单元的正确性.研究了实际空间管路系统振动固有频率和响应特性.研究表明:随着内压增大,固有频率和临界流速均减小.同时得出了非线性刚度系数和激励幅值对管路系统简谐激励下受迫响应的影响规律.      

机动行为下飞机油箱晃动流固耦合动力学分析

飞机执行机动飞行时整体处于大过载状态,此时的油箱晃动流固耦合问题较为复杂。针对这一问题,以某型飞机整体油箱为研究对象,建立ABAQUS与Star-CCM+联合仿真流固耦合方法,对飞机半滚倒转机动行为下的油箱晃动流固耦合效应进行分析,得到了半滚倒转过程中燃油的形态变化,流体域压力以及油箱部件的应力时程曲线等结果,并探究了油箱充液率变化对流固耦合效应的影响。结果表明：机动过载对油箱部件应力应变的影响大于燃油晃动冲击,除上蒙皮外部件应力均随着充液率增加而增加。     

多故障转子-滚动轴承系统的动力学特性

为深入研究多故障转子-滚动轴承系统的机理,充分考虑了旋转部件的扭矩、剪切力、转动惯量及陀螺力矩等效应,采用Timoshenko梁单元和转盘单元建立了转子的有限元模型,集成了滚动轴承动力学模型,及不平衡、不对中、碰摩、裂纹及松动等故障模型,得到了多故障转子-滚动轴承系统的动力学方程。采用变步长龙格库塔法,获得了转子-滚动轴承系统的位移响应,研究了系统位移响应随转速变化的分岔图、庞加莱截面,以及故障特征处的时域波形图、轴心轨迹图、相平面图和频谱图,探究了多故障转子-滚动轴承系统的故障特征及其动力学特性和规律。仿真分析结果表明：多故障转子-滚动轴承系统在运行过程中存在周期运动,拟周期运动和复杂的类混沌运动等丰富的非线性行为,且在各非线性行为转速区间内,会呈现不平衡、不对中、碰摩、裂纹和松动等单一故障或耦合故障的特征和现象。     

应用流固耦合数值方法研究机翼的射流减振技术

采用流固耦合的数值计算方法研究了NACA 0 0 15翼型在大迎角 ( 15°～ 6 0°)范围的颤振 ,以及在翼型背部部分引入射流的减振技术。在流体区域用高精度、高分辨率算法求解Farve平均的Navier Stokes方程 ,在固体区域用四阶Runge Kutta法求解振动方程 ,并且每一个时间步后都在两个区域之间传递边界条件。计算结果表明在翼型背部引入适当射流会降低翼型的振动 ,并提高升力。但如果引入射流的速度过高 ,会在叶背处形成新的分离流 ,升力反而会下降     

液体火箭发动机充液导管流固耦合动力学特性

为了深入研究流固耦合（FSI）作用对液体火箭发动机充液导管频率特性的影响,采用传递矩阵法(TMM)建立了空间导管流固耦合动力学计算模型.针对真实发动机导管开展了传递矩阵模型与传统基于附加质量的有限元(FEM)（非耦合）模型仿真计算以及模态试验验证,比较了管径、壁厚等结构参数对导管流固耦合作用的影响.结果表明:在流固耦合作用下,导管各阶谐振频率减小、而对应的流体振荡与结构振动幅值增大.管径对导管低阶频率特性的影响较壁厚对其影响更大.对于该算例,当管径大于设计值30%后,耦合作用引起的1阶频率误差高于10%,此时流固耦合不能忽略;而壁厚对1阶谐振频率的影响则小于8%.      

航天器推进系统水击及其抑制方法

针对航天器推进系统充填和关机过程水击这一动力学问题,基于已建立的航天器推进系统仿真模型,开展了某型推进系统的仿真研究,并重点分析了节流孔、弯管对推进剂供应管路水击的抑制作用.研究结果表明:①在推进系统充填和关机过程中,其不同位置均出现了明显的水击现象,充填过程水击频率较低,而关机过程水击频率较高,关机过程的水击峰值压力显著高于充填过程;②节流孔可显著削弱充填过程中的压力和流量振荡,关机过程的水击需要由较小的节流孔才能有效抑制;③弯管可明显削弱充填过程中的压力和流量振荡,对流量振荡的抑制效果尤为显著,但弯管对关机过程水击的抑制效果不明显.      

火箭推进系统充液管路的流固耦合动响应分析

针对大型运载火箭推进系统中的液氧供应管路,建立流固耦合作用的模型,开展了动响应分析研究.在二维平面管系中同时分析纵向和横向振动及其相互作用,并考虑泊松耦合和连接耦合的影响,对火箭贮箱出口的充液管段模型进行了计算.结果表明:相对于经典水锤理论,考虑纵向横向振动的充液管路的流固耦合动响应形式相对复杂,频率和幅值也有变化.该研究工作为下一步的管路试验和振动抑制研究提供了参考.      

快速机动大型挠性航天器的动力学建模

建立带附加质量大型挠性航天器大角度快速机动时的动力学模型。在柔性体变形场中计及耦合效应,采用假设模态法和拉格朗日原理建立挠性航天器系统的一阶近似动力学模型。在模型中忽略轴向变形,并用低阶主模态表示横向变形得到控制模型。理论分析和数值仿真表明: 挠性航天器在历经大角度快速机动时会产生动力刚化现象,传统的零次近似动力学模型会产生错误的仿真结果;附加质量对两种模型的系统刚度产生截然相反的作用;低阶简化模型能够较好地反映系统的动力学特性,可用于控制器设计。     

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.      

径向气体轴承-柔性转子耦合系统动力学研究

采用轨迹法对径向气体轴承(纯动压径向气体轴承、动静混合径向气体轴承)-柔性转子耦合系统的非线性动力学特性进行研究.建立柔性转子系统的多自由度模型,通过变方向隐式(ADI)方法实现瞬态气体润滑雷诺方程(含时间项)与转子动力学方程的耦合求解,通过数值仿真获得了系统在不同偏心质量作用下的非线性气膜力、轨迹图、相图、频谱图、能量谱图、分岔图、振型图及重力作用下轴承的平衡位置分布图.针对所采用的轨迹法的特点,研究了相应的非线性动力学参数获取方法.结果表明,轨迹法能够很好的描述径向气体轴承转子动力学特性及其气膜涡动现象,为径向气体轴承-柔性转子系统设计奠定基础.