大型柔性空间结构热-动力学耦合系统的非线性有限元分析

针对在轨航天器柔性附件的热-动力学耦合系统,发展了一种基于更新Lagrange格式的非线性有限元分析方法。构造了一种一维温度杆单元,该单元通过增加节点自由度数能够同时得到薄壁杆件横截面的平均温度和沿杆截面周向的温差,这些温度直接产生相应的热轴力、热弯矩和热双力矩。利用Rodrigues公式得到薄壁梁在大转动情况下的坐标转换矩阵,并推导了非线性动力学方程。进一步考虑结构变形和热流入射角的相互影响后,就得到了高度非线性的热-动力学耦合有限元方程。首先用标准考题验证了该方法的正确性,然后利用该方法对哈勃太空望远镜太阳翼的热诱发弯扭耦合振动问题进行了分析,给出了可能导致其失效的模式。
     

大型空间结构热弹性非线性有限元分析

由薄壁管组成的大型空间结构在外层空间受到太阳等星体的辐射加热，其热变形是值得关注的。为了准确地预测这种变形，首先推导了一种梁的热弹性几何非线性增量有限元格式，用以分析该类结构的热-力学响应，然后考虑到空间结构热流输入与变形耦合的特性，提出了一种热-力学耦合分析的有限元方法。对哈勃太空望远镜太阳能帆板热变形的实例计算表明，数值解与理论解符合较好。数值算例表明，结构内部热变形的不一致程度越大，考虑几何非线性对于热变形计算结果的影响越大；热流入射方向角和热变形大小是影响耦合效应的主要因素。     

纤维缠绕复合材料壳体的非线性大变形有限元分析

叙述了纤维缠绕复合材料固体火箭发动机旋转壳体与回转体构成的组合结构在轴对称大变形状态下的非线性有限元分析方法。给出了在轴对称大变形条件下的八结点等参单元和拟协调双曲壳单元的有限元列式。算例结果与已知的的理论符合较好。     

超临界压力下航空煤油RP-3在水平细圆管内对流换热特性实验研究

为探究超临界压力下碳氢燃料在水平管内的对流换热规律,文章针对超临界条件下航空煤油RP-3在水平细圆管内的对流换热,分析了热流密度、进口雷诺数及浮升力对对流换热的影响。研究表明:沿流动方向,管内表面传热系数随热流密度的增大先减小后增大;在低进口温度及低进口雷诺数情况下,管内换热均出现先恶化后强化的现象,而随着进口温度和雷诺数的增加,此现象消失;浮升力对换热的影响随热流密度的增加而增加;浮升力对下表面换热的加强使得入口效应的影响在下表面先于上表面结束;受浮升力影响,上下壁最大温差可达50 K;质量流速的增加会抑制浮升力对换热的影响;准则数Grq/Grth可以很好地反映浮升力的变化趋势。以上研究结果可为采用碳氢燃料作冷却介质的各类飞行器主动热防护技术方案提供技术支撑。     

复合材料结构非线性分析软件功用简介

简介了复合材料结构非线性有限元分析的功能，用途以单元处理技术。本软件可对复合材料结构进行应力应变分析，轴对称分析，空间体分析和空间板壳分析，其非线性分析功能包括；材料非线性分析，小位移小应变分析，大位移小应变分析和大位移大应变分析，同时，还具有较好的前处理和后处理功能。     

一种自由装填式组合药柱的低温三维结构完整性分析

为分析自由装填式复杂组合药柱在低温多次出现点火爆炸的原因,采用基于Updated Lagrangian方法的三维热粘弹性大变形增量本构关系,对组合药柱的结构完整性进行了计算。为分析瞬态温度场以及热应力应变分布,采用基于时温等效原理和热流变简单材料假设的有限元模型,得到了危险点位置,并比较了在不同贮存温度下组合药柱的结构完整性。结果表明,药柱结构的不合理性是导致低温贮存条件下组合药柱发生结构完整性破坏的主要原因。     

用三维非线性粘弹模型分析药柱结构

一个三维非线性粘弹模型结构分析有限元程序业已完成。该模型可运用于分析准静态条件下承受有限应变的各向同性、近乎不可压缩的粘弹材料,包括材料非线性影响.以热流变的简单性假设来建立与温度有关的模型。该模型已用于分析固化后冷却过程中的固体火箭发动机。当变形有限时,发现非线性模型预估的药柱应力水平高于线性粘弹模型预估的药柱应力水平.     

空间伸展臂热应变与热变形光纤监测技术

针对空间伸展臂在热载荷作用下承载特性与形态变化的监测需求,提出了一种基于分布式光纤传感器的伸展臂结构温度、热应变以及热变形集成监测技术。借助ANSYS Workbench有限元分析软件,构建了单端热载荷作用下铝合金空间伸展臂结构热-力模型,分别得到不同局部热载荷下伸展臂轴向温度、热应变以及热变形分布与变化规律。在此基础上,提出了基于有限元分析与热传导理论的两类伸展臂轴向热变形计算方法。构建了分布式光纤传感监测系统,实时监测伸展臂若干关键位置的温度值与应变值,进而反演出结构轴向温度场、应变场连续变化信息。研究表明:采用有限元拟合法与热传导解析法计算所得伸展臂轴向热变形误差分别为5.256%与3.556%。相关成果能够为未来航天器在轨服役状态监测与辨识提供技术支撑。     

气动加热下金属蜂窝板热响应特性数值模拟

提出一种计算非稳态气动加热下金属蜂窝板内辐射导热耦合换热数值计算方法。将金 属蜂窝夹芯板作为三层平板结构,建立沿厚度方向一维传热控制方程,采用Monte
Carlo方法求解蜂窝腔内辐射换热,有限体积法求解蜂窝板内耦合换热,考虑蜂窝金属与空 气热物性随温度变化,对某结构的正六角形蜂窝板在模拟气动加热条件下两表面温度响应进 行了数值预测,数值预测结果与文献中的实验结果对比表明该方法能够准确模拟蜂窝夹心板 内传热过程;对采用Swann & Pittman当量导热系数经验公式进行蜂窝非稳态表面温度响应 计算可靠性进行了验证,结果表明该公式在计算非稳态气动加热下蜂窝表面温度时存在较大 误差,给出的热面温度过高,冷面温度过低,两表面温差最大相对误差高达140％。     

空间可展开结构中壳膜结构的建模分析研究综述

空间可展开结构的建模分析对于评判结构是否能可靠展开与正常工作是必不可少的。随着材料科学和计算机技术的发展,建模分析的内容也逐渐多样化,面临的求解内容也逐渐增多,但依然存在针对各类非线性问题分析较困难的情况。空间可展开结构的建模分析内容有热场导致的热致振动分析与航天器姿轨机动导致的等效外力载荷分析等。文章立足于将可展开结构中一种新兴的壳膜结构作为核心研究对象,查找了建模分析的相关资料,介绍了常用的有限元方法的优劣,综述了壳单元、膜结构单元建模的理论研究前沿与壳膜结构的建模分析研究进展,以及有限元软件技术的发展现状。结合空间可展开结构的建模分析研究,对目前常用的建模方法进行了概述,提出了发展中亟待解决的一些问题及可能的解决方法。     

基于非线性有限元降阶方法的网格加筋筒壳结构屈曲承载特性研究

非线性有限元数值计算方法是结构屈曲性能评估的主要手段,然而该方法需要基于精细网格迭代求解,降低结构非线性计算规模是其关键技术之一。采用一种结构非线性有限元降阶方法,对均匀轴向压载荷作用下的网格加筋筒壳结构进行了细致的承载稳定性特性分析。该方法将Koiter初始后屈曲理论与Newton弧长法相结合,通过多次使用Koiter摄动展开来跟踪结构非线性平衡路径。计算比较了特征值屈曲载荷和计及几何非线性效应的非线性屈曲载荷值;采用侧向小扰动载荷模拟结构初始几何形状缺陷,分析了缺陷幅度对临界屈曲载荷的影响规律,在验证了非线性有限元降阶方法分析精度的同时,细致考核了该方法在结构非线性屈曲分析以及缺陷敏感性分析中的计算效率优势。     

温度分布对复合材料壁板颤振特性的影响

为了分析不同温度分布对复合材料壁板的颤振临界速压和非线性极限环颤振幅值的影 响,将壁板面内的温度分布简化为线性分布情况和非线性二次曲面分布,建立了受 热复合材料壁板颤振的有限元模型,并分别在频域和时域内对受热复合材料壁板的临界颤振 速压和极限环颤振响应进行了求解。结果表明,温度分布的梯度效应使得壁板颤振临界速压 降低并使极限环颤振幅值增大;而非线性温度分布的曲率效应使得颤振临界速压升高。采用 面内 温度均匀分布的模型求解壁板的颤振边界,既有可能得到偏“保守”的解,也有可能得到偏 “危险”的解,而且当壁板温度分布的非线性效应较强时,不仅要考虑壁板温度分布的梯度 效应,还要考虑温度分布的曲率效应对壁板颤振特性的影响。
     

热防护系统分区协调耦合推进方法

提出一种适用于热防护系统(TPS)热控性能研究的分区协调耦合推进方法,其中采用有限体积法(FVM)进行气动热分析,FVM空间离散采用NND格式,而结构传热采用有限元法(FEM)进行分析,且在耦合面采用基于控制面的双向映射插值方法进行数据传递。进行了圆管算例分析,2 s时刻驻点处温度计算值与试验值相对误差为4.95%。研究了空天飞行器头锥TPS的热控性能,非耦合方法获得的防热瓦和应变隔离垫(SIP)最高温度分别比耦合结果高114.4 K和32.6 K,这是由于非耦合方法未考虑壁面温度升高对气动热的反馈作用,而耦合方法充分考虑了此影响。采用高热辐射率的涂层、低导热系数和较厚的防热瓦能有效提高热防护系统的隔热性能和降低主动冷却系统的功率和重量,而防热瓦最高温度对其导热系数和厚度不敏感。     

透镜式薄壁CFRP管空间伸展臂轴压屈曲分析及试验

对透镜式截面四层铺设薄壁碳纤维增强塑料(CFRP)管空间伸展臂进行轴压载荷试验,得到轴压临界屈曲载荷及屈曲特性。利用有限元模型进行线性特征值屈曲分析,并引入屈曲模态形式作为初始几何缺陷进行非线性屈曲分析,得到轴压下屈曲临界载荷及非线性屈曲特性,并与试验结果进行对比分析。结果表明初始几何缺陷对CFRP管轴压临界载荷影响较大,给CFRP管加入适当的几何缺陷可更有效模拟实际非完善体的屈曲载荷。进而对其材料厚度、层数和铺设角度进行参数分析,得到各参数对轴压临界载荷的影响程度及敏感性,本文对透镜式薄壁CFRP管空间伸展臂的设计和深入研究具有重要参考价值。     

低重力环境下三维液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力环境下三维液体非线性晃动问题。采用ＡＬＥ（任意的拉格朗日－欧拉）运动学描述跟踪自由液面；对于ＡＬＥ描述的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式进行数值离散，在空间域上利用有限元方法进行了数值离散；推导了考虑表面引力效应时有限元边界条件的弱积分形式；给出了表面张力的数值计算公式。模拟了考虑表面张力情况下圆筒型贮腔中液体的非线性晃动，并得到了贮腔壁面处     

星载双反射抛物面天线热变形分析

星载天线在轨运行时受到空间外热流的影响，会经历周期性的高低温交变，导致其反射面产生热变形。为了保证星载天线稳定运行，选取某型号星载双反射抛物面天线作为研究对象，采用有限元法对天线高温工况下的在轨温度场进行分析，进而将天线上分布的温度载荷作为边界条件映射到结构场中进行热变形分析；同时详细分析了材料属性、铝蜂窝芯厚度、碳纤维贴层厚度、反射面支撑约束位置等因素对双反射抛物面天线热变形的影响，以期为星载天线结构优化设计提供理论参考。     

基于有限元法的大气层外弹道式目标表面温度场分析

获取目标表面温度场是进行红外特征分析的重要前提。为确定大气层外弹道式目标的表面温度场分布,建立了有限元模型。根据目标温度场的轴对称分布特点,在柱坐标系内建立了二维瞬态热传递模型,从而降低了计算量。与当前大部分的有限元软件和文献不同,严格分析了温度非均匀性有限单元的辐射热损失,并推导出轴对称三结点三角形单元的辐射热损失公式。为了能够使用Galerkin法求解时间微分方程组,将辐射热损失视为与时间相关的热载荷项,并用Newton\|Raphson法迭代求解处理后得到的非线性方程组。一个简单的数值实验表明了所提出方法的有效性,最后应用该法求解了目标飞行全程的表面温度场分布。
     

飞行器结构部件导热/辐射耦合传热特性预测方法

采用数值方法求解气动热环境,基于蒙特卡罗方法求解内部空腔辐射换热及有限元方法求解三维导热,建立了沿弹道求解导热/辐射耦合的热响应预测方法,计算并获得了沿给定飞行弹道条件下的考虑内部辐射和不考虑内部辐射时的某高超声速飞行器结构部件的热响应特性。研究表明,所发展的耦合计算方法具有较高的精度和较好的工程适用性;考虑内部辐射时,结构部件局部最高温度明显低于不考虑辐射时,最高相差400K以上,且温度分布趋于均匀,温度梯度减小。相关研究对高超声速飞行器防热结构设计与优化具有重要参考意义。