对接机构的涡流阻尼器阻尼力矩的有限元仿真和试验分析

涡流阻尼器可以很好吸收航天器交会对接时产生的碰撞能量,其阻尼力矩直接关系其对碰撞能量的吸收,但没有通用的阻尼力矩计算公式.通过对研发的对接机构用涡流阻尼器样机的有限元仿真和实验,分析其阻尼力矩.介绍了对接机构的涡流阻尼器样机的结构、2D和3D电磁场有限元仿真模型和阻尼力矩测试系统,分析了涡流阻尼器的磁极对数、转子材料导电率、转子长度、转子厚度、转子平均直径对阻尼力矩的影响,给出了阻尼力矩的计算公式.计算结果表明,对铝合金转子涡流阻尼器样机,阻尼力矩的计算值与实测值误差小,对铜合金转子涡流阻尼器样机,阻尼力矩的计算值与实测值误差较大.分析结果有助于对接机构用涡流阻尼器的研制.     

超高转速氢涡轮泵柔性转子动特性仿真分析

以25 tf级膨胀循环氢氧发动机氢涡轮泵为研究对象,针对超高转速氢涡轮泵柔性转子临界转速设计、稳定性控制的难题,采用有限元方法建立转子轴承系统动力学模型,考虑支承结构参与振动、密封流体的刚度及阻尼、支承刚度及阻尼随转速变化等因素的影响,计算分析了设计参数对转子临界转速、稳定性的影响,提出了优化改进方向。仿真分析表明：该氢涡轮泵的转子系统设计方案能够满足临界转速裕度、弯曲应变能控制的设计准则和目标要求;工作转速范围内转子一阶对数衰减率最小值约为0.15,满足稳定性设计准则的最低要求;若要进一步提高转子的稳定性裕度,可适当降低泵端弹性支承刚度,把转子悬臂段的流体密封由齿型结构改为阻尼更大的孔型结构,将对数衰减率提高到0.22以上。     

涡轮泵环形颗粒阻尼器设计

设计了一种用于液体火箭发动机涡轮泵减振的环形颗粒阻尼器。为研究颗粒阻尼器的减振性能,基于有限元法建立了附加颗粒阻尼器以及不加颗粒阻尼器的涡轮泵模型,计算过程中采用结构阻尼系数来描述颗粒阻尼器的阻尼特性。仿真结果表明．颗粒阻尼器能够显著降低涡轮泵的振动,并且对涡轮泵的动态特性影响很小。     

交会对接目标飞行器控制力矩陀螺的传热特性

对交会对接目标飞行器控制力矩陀螺的热特性进行了分析,建立了控制力矩陀螺的热分析模型,并结合其热平衡试验结果对热模型进行了修正,结果表明,模型计算温度与热平衡试验温度吻合较好。文章利用修正后的热数学模型,对控制力矩陀螺在轨运行时在不同热边界条件下的温度场分布进行了求解,并得出了陀螺辐射传热与导热传热的比例关系,以及辐射传热是其主要散热途径的结论。     

异构多星电磁编队静态构型设计与保持控制

针对异构多星电磁编队的空间静态构型设计,提出采用精确电磁力模型进行非线性修正的方法,解决了传统方法中由远场电磁力模型造成的构型求解误差问题。考虑编队静态构型设计存在待优化参数较多的问题,基于轨道相对运动方程与电磁力内力特性,可以推导一组关于编队各星质量与空间分布的静态构型必要条件,提出了一种参数降维的四面体构型设计方法,并基于所建精确电磁力模型,对静态构型解进行了非线性修正。针对编队闭环控制问题,设计了包含摄动前馈的滑模控制器,并使用精确电磁力模型修正磁矩,提高了磁矩分配的准确性。仿真结果表明,设计的四面体构型能够满足力和力矩平衡方程,基于精确电磁力模型的修正方法有效提升了构型设计与控制精度。     

大型空间机械臂关节动力学建模与分析研究

关节是空间机械臂的核心部件,是保证空间机械臂安全、平稳运行的关键。为全面反映大型空间机械臂关节的动力学特性并从细节之处优化关节设计,利用集中参数法建立了综合考虑轮齿柔性、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合误差等非线性因素的细化关节动力学模型。模型中采用一种基于tanh的连续函数对传统分段线性间隙函数进行近似,从而降低了模型的求解难度。研究了各级齿轮精度、关节转速和负载对关节动力学特性的影响。仿真结果表明,三级齿轮的精度变化会影响关节转速波动的振幅并分别影响高、中、低频特性;转速的增加将提高振动频率和幅值;力矩负载的增大会使关节转速波动幅值显著增大,且在满载时,所有的高阶频率都得到明显激励;惯性负载的增大会减小转速波动,并将能量集中在中频上。
     

涡轮泵转子弯扭耦合振动与分岔特性研究

根据实际涡轮泵转子建立质量集中的多盘转子模型,在考虑阻尼的情形下,推导建立不平衡转子弯扭耦合振动的动力学微分方程,并对其进行仿真,得到工作转速下涡轮泵转子弯扭耦合振动的特征图形;以转速为分岔特性参数,在不同偏心距下对涡轮泵转子的分岔特性进行研究发现,偏心距是转子弯扭耦合振动的重要影响因素,偏心距越大,涡轮泵转子的弯扭耦合振动作用越明显。     

基于磁力矩定向阻尼特性的卫星姿态磁控制

根据磁力矩在地磁场中的定向阻尼特性，提出了磁控重力梯度和有阻尼器的非重力梯度卫星姿态控制律。给出了卫星姿态运动方程，并证明采用两种方法控制卫星姿态的稳定性。根据地磁场强度变化规律选择控制系数。理论分析和仿真结果表明，基于磁力矩定向阻尼特性的卫星姿态磁控制方法简单、精度较高。     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子高频自激振动的抑制

磁悬浮控制力矩陀螺（CMG）中转子一阶弹性模态自激振动是影响磁悬浮高速转子系统稳定性的关键因素之一.自激振动通常可以采用陷波器（NF）进行抑制,然而引入NF或改变其参数以及转子转速的变化均会改变模态自激频率,因而难以直接准确地确定NF参数.本文提出一种仿真确定NF参数的方法,通过转子弹性模态缩减建模和模态参数确定得到准确的弹性转子动力学模型,进而采用闭环仿真优化确定NF中心频率和极点阻尼.采用该方法设计的NF有效抑制了转子的高频弹性模态自激振动,使得磁悬浮CMG转子可以稳定升速到24000r/min.实验结果验证了该方法的实用性和有效性.     

类杆锥式对接机构捕获动力学分析与参数设计

针对面向在轨服务的小型航天器上使用的类杆椎式对接机构,给出了其参数设计及其 动力学分析方法。采用虚功率原理和赫兹模型建立了对接机构的整体接触碰撞动力学模型, 通过对不同初始条件下捕获阶段动力学仿真评价完成了缓冲阻尼参数的设计,实现了对接机 构的整体性能满足设计目标要求。     

利用热平衡试验稳态数据修正对接机构热模型

根据热平衡试验数据与计算结果的比较,分析两者存在差异的原因,用热平衡试验稳态工况数据修正对接机构热模型中的单元划分和热网络方程。研究了对热网络方程修正的方法,基于参数化和节点群概念改进参数化节点群整合方法,以明显减少需修正系数的数量,并与分级修正和局部修正综合,提高热网络修正方法的实用性。算例表明：通过热模型修正使温度计算值与试验值的偏差达到允许的要求,表明该热模型修正方法有效。     

喷气阻尼效应作用下旋转导弹锥形运动分析

研究了喷气阻尼和推力偏斜对旋转导弹锥形运动的影响。建立了考虑变质量特性和喷流影响的旋转导弹姿态动力学模型。将旋转弹姿态动力学方程分为自旋运动和锥形运动两组,用复攻角简化锥形运动的微分方程,分析了自旋转速和锥形运动,推导出准攻角和准侧滑角的解析解,讨论了陀螺力矩、气动力矩、喷气阻尼力矩和推力偏斜对锥形运动的影响,获得了锥形运动稳定的条件。仿真结果验证了理论分析的正确性。研究表明:喷气阻尼效应增大了锥形运动的阻尼,利于锥形运动的稳定,但对锥形运动的频率无影响;推力偏斜使锥形运动中增加了与自旋同频的受迫振动,为限制受迫振动的幅度应使自旋转速避开慢圆运动和快圆运动的频率,并增大锥形运动的阻尼。研究对旋转弹的喷气阻尼力矩影响分析和总体设计有较大的参考价值。     

基于Ogden修正模型对金属橡胶隔振系统的仿真及试验验证

文章针对某型号隔振系统的金属橡胶阻尼器开展了仿真与试验验证研究。由于橡胶材料本构模型不能准确地描述金属橡胶的特性,无法直接利用其对该隔振系统的性能进行仿真预示,为此,只能通过对ADINA程序中的Ogden模型进行修正以模拟金属橡胶的特性,并利用这种强非线性仿真程序对该隔振系统的谐振频率进行仿真计算和测试。结果表明:仿真计算与试验测试所得的谐振频率的偏差为2.1%,谐振加速度的偏差为18.2%。这种计算方法对金属橡胶阻尼器的隔振系统的设计计算具有一定的参考价值。     

卫星大挠性桁架结构振动抑制试验研究

研究大型挠性空间桁架结构(LFST)的振动抑制问题.基于LFST特性,设计一套空间桁架试验系统.针对LFST具有大挠性、低刚度和低阻尼等特性,设计并研制一种圆柱式剪切型粘弹性阻尼器,给出具有粘弹性阻尼器的桁架阻尼杆的动力学模型.分别利用有限元方法和试验分析方法,对空间桁架的模态频率、模态阻尼比以及瞬态激励响应进行仿真和试验分析.结果表明应用这种阻尼器,桁架结构系统的第一阶模态阻尼比从0.49%增大到13.1%,其他各阶模态阻尼比也都有所增加.     

弹簧展开机构的设计及运动学仿真

弹簧展开机构由两对互为备份的弹簧、一个流体阻尼器、一个温度补偿装置组成。弹簧提供展开驱动力矩;阻尼器提供阻尼力矩,以稳定展开速度,防止冲击过大;温度补偿装置用来补偿温度变化对阻尼器性能的影响。文章论述了弹簧展开机构的工作原理及结构设计和必要的分析计算,同时对该展开机构应用在某星载天线中的工作情况进行了运动学仿真。     

桁架结构阻尼控制的绝对值模态应变能法

本文阐述了近似求解复特性值问题模态阻尼比的模态应变能法（ＭＳＥ）和绝对值模态应变能法（ＡＶＭＳＥ），分别用两种方法计算了空间桁架结构应用粘弹性阻尼器进行阻尼控制时结构的模态阻尼比。完成了空间桁架结构模型的粘弹性阻尼控制实验。理论分析与实验结果比较显示，当结构中粘弹性的成分较大时，ＡＶＭＳＥ对复特征值问题中模态阻尼比的近似计算给出更准确的结果。     

液氢涡轮泵孔型阻尼密封设计与性能评估

针对某液氢涡轮泵级间迷宫密封流体激振诱发转子涡动失稳问题,开展了孔型阻尼密封方案设计及密封泄漏特性和转子动力特性评估研究。通过不同密封间隙、孔径和孔深等关键几何参数的组合,共设计液氢孔型阻尼密封方案25种。采用定常CFD(computational fluid dynamics)数值预测方法,计算分析了密封间隙、孔径和...     

空间机械臂关节精细动力学模型的建立及关节力矩控制

针对空间机械臂辅助对接任务中的复杂关节力矩控制问题,建立了含间隙、非线性刚度及啮合阻尼的多级行星齿轮传动复杂关节精细动力学模型,该模型不仅考虑了齿轮啮合刚度,而且考虑了齿轮轴的扭转刚度。提出了一种基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法,并以此建立关节力矩控制系统,利用Runge\|Kutta算法对关节精细动力学模型进行了数值计算。计算结果表明,此关节力矩控制方法约有1.7%的稳态误差,能满足关节力矩控制的需要;基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法有效地解决了提高关节力矩测量精度与保持传感器刚度之间的矛盾。     

基于有限元--离散元耦合的粒子阻尼减振研究

在侧挂构型发射任务中,中心承力筒与卫星直接连接,其动力学特性对卫星的振动响应有直接影响。首先分析中心承力筒的模态特性,据此完成粒子阻尼器的结构参数设计。随后,使用有限元--离散元耦合仿真方法,确定了阻尼器填充粒子的最佳直径和阻尼器最佳安装位置。仿真结果表明,该方案下星箭界面减振效果可达40%。最后,使用最优粒子阻尼参数开展水平激励实验。实验结果表明,与未安装粒子阻尼器相比,中心承力筒+粒子阻尼器组合体的减振效果可达35%以上,与仿真结果一致。     

具有初始弯曲的压气机转子振动特性分析

通过Jeffcott转子建立了转子初始弯曲结构模型,推导了初始弯曲转子的振动响应,仿真分析了弯曲因子和初始弯曲相位角对转子振动响应的影响,总结了初始弯曲转子的振动特性和规律。在理论分析的基础上,开展具有初始弯曲的压气机转子运行试验,分析了该初弯转子的振动特性,对比了平衡状态对该初始弯曲转子响应的影响。结果表明:初弯转子起动时的响应幅值等于初始弯曲幅度,响应初始相位与初始弯曲相位大小相等,方向相反;初始弯曲不会改变转子的临界转速,但会影响转子的共振幅值和相位,只有初始弯曲相位角为0°或180°时,共振相位才等于90°;初始弯曲对刚性转子或准柔性转子振动的影响较大,而对柔性转子振动的影响相对较小;初弯转子在某一转速区内响应振幅会出现一"凹坑",初始弯曲相位角越接近180°,"凹坑"底部对应的振幅越小;初弯转子响应幅值"凹坑"对应的转速范围随着平衡精度的提高而向高速区移动,当"凹坑"对应的转速范围落于共振转速区内时,转子的共振峰值可降至最低。