柔性隔振结构影响下控制力矩陀螺的动力学建模与仿真#br#

近年来,控制力矩陀螺逐渐广泛应用于航天器姿态控制中.为了减小动量轮的高速旋转引起的振动对星体的影响,需要在控制力矩陀螺于航天器之间安装隔振装置.但是隔振装置的引入对控制力矩陀螺内部机构的动力学特性造成了影响.基于此,本文建立了柔性隔振机构耦合作用下的控制力矩陀螺动力学模型.本文通过欧拉角变换建立了陀螺内部各机构的运动学关系,使用能量方法建立了陀螺内部各结构的动力学特性.并在Matlab中进行了数值仿真与分析.通过仿真发现了隔振结构对陀螺的输出力矩产生了影响,在柔性支撑下的陀螺力矩存在明显波动,且波动范围随动量轮转速的增加而增加.同时,柔性隔振机构的引入还导致了干扰力矩的产生,该干扰力矩对控制力矩陀螺框架电机的控制存在较大影响.     

压电周期板中耦合禁带影响规律分析

近年来,利用周期结构中弹性波禁带特性减振的研究思路受到了广泛关注。针对以往周期结构难以实现宽频且可调禁带的问题,设计了一种含电路网络的压电周期结构。该结构中的弯曲波和电路网络中的电波通过压电效应可以产生一个较宽的耦合禁带,且通过调整电路参数就可以达到调节禁带位置的目的。首先,为了高效计算该结构的波动特性,开发了适用于压电周期结构的减缩波有限元算法,该算法可以在保证结果准确性的基础上节约90%以上的计算时间。利用该算法研究了压电材料尺寸和形状对耦合禁带性能的影响。结果表明:相同电学参数下,随着压电片尺寸的增大,耦合禁带向低频移动,且禁带带宽增加;相同面积下含圆形和方形压电片的机电系统内耦合禁带差异较小,即形状对耦合禁带的分布影响不大。其次,针对不同尺寸和形状的机电系统,设计了电学参数使得在同一频率附近产生耦合禁带,并分析了其性能差异。最后,为了证明耦合禁带的减振效果,设计了一种有限压电周期板模型,其强迫响应的结果证明了耦合禁带对结构内弹性波可以进行有效调控。      

吸气式高超声速飞行器耦合运动数值模拟

为了研究吸气式高超声速飞行器在俯仰/滚转两自由度耦合运动下的动稳定性问题,基于气动/运动耦合数值模拟方法并结合理论分析,针对一种类似SR-72构型的吸气式高超声速飞行器开展了进气道通流状态下强迫俯仰/自由滚转耦合运动数值模拟研究。结果表明:强迫俯仰/自由滚转耦合运动下,滚转通道的动力学方程可以简化为有阻尼的Mathieu方程形式,并且可以求得稳定性边界。理论分析表明:滚转通道的动稳定性与俯仰振荡角频率相关,在飞行器滚转振荡固有角频率附近存在2个临界角频率,当俯仰振荡角频率位于2个临界角频率之间时,滚转通道是动不稳定的。在俯仰振荡振幅较小时,数值模拟结果与理论符合较好,但实际的临界角频率与理论分析求解的值有一定偏差;数值模拟结果表明随着俯仰振荡振幅增大,导致滚转发散的角频率范围变得更宽,且向更高频率偏移。      

二阶时间精度的CFD/CSD耦合算法研究

非线性气动弹性分析中,涉及到非线性流体动力学(CFD)和非线性结构动力学(CSD)的耦合计算问题。本文分析比较了目前几种耦合算法:全耦合、松耦合和紧耦合,并从耦合边界能量传递守恒上就松耦合及紧耦合方法进行了时间精度的分析,得出传统松耦合中即使流体和结构子系统达到高阶时间精度,耦合算法的时间精度仍仅为一阶,紧耦合方法虽然可以达到二阶时间精度,但没有明显提高计算效率。随后,本文基于松耦合流程改进了耦合格式,分析表明其具有二阶时间精度,通过AGARD445.6机翼颤振模型的算例验证,说明该方法可以在保证计算精度的基础上明显提高计算效率,并保持了传统松耦合方法模块化的优点,在模拟非线性气动弹性问题时具有很高的优越性。     

封闭圆柱壳振动与内声场耦合的数值计算

主要研究弹性板壳结构振动与声场耦合的特性,旨在寻求该结构与声场的耦合频率的解析解。基于振动微分方程,利用模态叠加法求解位移响应,结合结构与声场的边界条件,得到了求解耦合频率的方程组。最后,采用Broyden秩1算法获得了耦合频率的解析解。该求解过程具有一般性,为弹性板壳结构与声场耦合的研究提供了一定的理论基础。     

机械蝴蝶模型悬停飞行的流动显示实验

为了探索蝴蝶独特的外形及运动模式下蕴含的流动机理,与以往只考虑翅膀气动影响的拍动翼实验不同,我们开发了一种同时考虑身体及翅膀的机械系统用以模拟蝴蝶的悬停飞行,并采用染色液流动显示的方法对升力的主要来源——前缘涡进行了细致的观测。结果显示,在蝴蝶飞行的上下拍动过程中均有前缘涡产生,且不是以往观测到的螺旋或锥状结构,而是近似等直径的柱状联通形式,其明显特征为：在拍动加速阶段存在明显的展向流动,而在减速阶段则会出现破裂;另外,蝴蝶看似杂乱无章的运动实际上是一种自适应控制的结果,有助于提高升力。     

两种静弹修正方法的对比

本文针对工程应用的实际情况,采用线化理论和非线化理论对同一模型进行了静气动弹性计算,并对不同马赫数、不同高度的刚弹性计算结果进行了对比分析。结果表明,低速时可忽略弹性变形对气动力的影响,而高速时必须考虑弹性变形对气动力的影响,在工程应用初期,可用线化理论对非线性段气动力进行静弹修正,虽然精度有所降低,但效率却大大提高,在后期可用非线化理论进行校核计算。     

确定无约束梁耦合振型的一种途径

无约束梁耦合振动问题属于单柔体动力学问题,确定无约束梁耦合振型对于分析梁的振动性质具有重要意义。首先给出单柔体动力学的拟变分原理,然后分析无约束梁耦合振动的特点,应用单柔体动力学的拟变分原理建立了确定无约束梁耦合振型的一种途径。应用这种途径求解无约束梁耦合振动的奇数次振型和偶数次振型。最后,讨论了有关问题。     

大型飞机平尾翼尖涡对后体涡系影响的实验研究

大型飞机在飞行过程中机身后体会产生一对反向旋转的脱体涡（后体主涡）,该涡与平尾翼尖涡共同构成飞机后体的涡系结构。在风洞中,利用激光粒子测速（PIV）方法,对单独后体和加装不同展长平尾的后体,分别研究涡系结构的动力学特征。结果表明:后体主涡的涡核中心沿流向明显向上移动;加装平尾后,涡系呈现典型的四涡结构,平尾翼尖涡对后体主涡影响显著,加大了后者向上移动的趋势,同时使其沿展向外移,并显著削弱其涡旋强度;平尾展长增加后,后体主涡受到的影响有所减弱。在低速环境下,来流速度对后体涡系结构的无量纲动力学参数影响较小。     

模型燃烧室中两相化学反应流动的大涡模拟

对带V型火焰稳定器的模型燃烧室中气液两相化学反应流动进行大涡模拟(LES),研究中采用了欧拉一拉格朗日方法。利用大涡模拟来研究气相流场,k方程亚网格尺度模型来模拟亚网格涡粘性。化学反应速率由亚网格EBU燃烧模型来确定,两步亚网格紊流燃烧模型被用来确定CO浓度,NO亚网格污染物生成模型被用来评估NO生成速率,辐射热量传递采用了热通量辐射模型。并在交错网格体系下气相采用SIMPLE算法和混合差分格式求解,液相在拉格朗日坐标系下采用PSIC算法对其进行求解。通过大涡模拟,能得到气相和液相之间的质量、动量和能量交换。通过计算值和实验值的比较可知,出口温度和污染物成分浓度实验结果与计算结果吻合较好。因此采用大涡模拟方法来模拟两相化学反应流动和污染物生成过程是可行的。