空间可展开结构热致振动分析方法研究综述

空间可展开结构在轨服役期间受冷热交变热载荷的作用会产生热致振动现象,使得结构精度下降,进而影响其工作效能,因此在结构设计与制造阶段准确地预测热导致的热-结构耦合动力学行为,并对热致振动问题加以规避是至关重要的。从上个世纪50 年代Boley 提出热致振动的概念至今,学者们不断探索新的分析方法。早期学者大多以简化的板或梁作为对象研究其热致振动机理;21 世纪后学者们开始了有限元结合数值方法研究具有显著几何非线性、运动副间隙等特点的大型空间结构热致振动问题;近年来有学者采用绝对节点坐标法建立耦合的热-结构分析模型,用于分析大转动、大变形航天结构热致振动问题。文章针对空间可展开结构热致振动这一现象,系统性地总结了从热致振动概念提出到近年来热致振动问题的研究方法,并提炼出发展中亟待解决的关键问题,为热致振动问题的进一步研究提供参考。     

退化量有缺失的无失效小样本轴承可靠性评估

针对有试验性能退化量参数记录、且(或)有部分数据缺失情况的小样本无失效轴承试验问题,通过由Taylor和Thompson提出的数据模拟法实现补全样本退化量,结合Bootstrap自助法扩大样本量,再根据基于性能退化轨迹的补充信息方法来进行其可靠性评估。选取7组受试轴承的振动退化量,对比在完整数据和带有缺失数据情况下的分析结果,发现可合理利用原舍弃不合规试验的部分有效信息,使之增加可靠性评估的样本数,从而得到较不用这些数据更为准确的结果,且所得结果较用完整数据结果绝对值相差在01以内。对比由极大似然估计法和加权E-Bayes法分析试验寿命数据的结果,发现该方法所得评估结果更优,与试验实际相比误差在10%以内,对于提高评估精度及降低试验成本有积极的实际意义。     

非恒定增压式微尺度拉瓦尔喷管流动特性

针对微尺度喷流在航天器运动状态切换时出现的非恒定增压变化,采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法对阶跃式增压和线性式增压两种模式下的微尺度拉瓦尔喷管流场进行了模拟,并对其变化过程中的流动特性进行了对比分析。结果显示：阶跃式增压会导致流动特性出现较大幅值的峰谷式波动,而线性式增压下的流动特性则呈现出线性变化的特点;黏性力对微尺度喷流的非恒定增压变化产生了重要的黏滞作用,在喉部扩张段至出口的流场中尤为明显;在设定的条件下,阶跃式增压过程中喷流产生的总冲量较线性式增压高59.5%,质量流量高74.7%,单位工质提供的冲量低约8.6%,波动性也高于线性式模型,阶跃式增压适用于系统需要较大推力改变运动状态且推进剂充足的情况,而线性式增压在系统精确微调或需要推进剂产生更高效能时具有明显的优势。     

转子系统挤压油膜阻尼器设计与动力特性

鉴于挤压油膜阻尼器(SFD)设计必须要同时考虑转子系统的动力学特性,提出了一种转子系统与挤压油膜阻尼器耦合设计方法,给出了详细的设计流程。对所设计的阻尼器进行了CFD数值模拟、油膜压力测量以及减振效果实验,结果证明所提出的设计方法是有效的。相比未采用阻尼器,采用阻尼器后转子系统两个转盘的振幅分别下降了46%和39%。通过实验还研究了不平衡量、支承刚度、供油压力和滑油温度对挤压油膜阻尼器减振效果的影响。结果表明,相比于不平衡量和支承刚度对减振效果的影响,供油压力和滑油温度的影响并不显著。进行挤压油膜阻尼器设计时,重点应该关注转子上的不平衡量大小和支承刚度。     

太阳电池翼在轨模态光学测量优化的计算机辅助方法

非接触光学测量方法,可作为空间站太阳电池翼等大型航天器柔性部件在轨模态分析的一种潜在手段。为合理布置相机的拍摄工位及视角,有效捕捉靶标运动的位移及方向,提出了利用轨控或姿控激励下柔性附件瞬态响应的结构动力学仿真结果,结合计算机图形学仿真技术,预示虚拟靶标运动过程成像及其位移重构效果,从而对测量有效性做出判断的实验方案评价方法,并通过仿真实验对其可行性进行了验证。该方法可发展为航天器在轨模态测量的计算机辅助优化工具,能充分利用结构动力学仿真成果,弥补大型柔性部件地面实验的不足。     

火星大气来流模拟装置CFD仿真与试验

根据我国火星着陆巡视器工作过程,其着陆发动机需要在相对火星大气高速迎风运动中可靠点火。由于巡视器着陆时发动机喷管出口气流与火星稀薄气流方向相反,目前无法通过理论计算准确获得着陆过程的动态流场对发动机起动过程的影响量值。为验证火星着陆环境下发动机点火的适应性,需要建立发动机的火星大气来流试验环境模拟条件。为模拟发动机在火星大气条件下的相对运动,在真空舱内发动机保持固定,前端设置环形来流形成装置,该装置在发动机喷管周围形成一定速度的逆向来流包络。采用数值模拟技术结合试验验证方法,在火星着陆器巡视器主发动机性能考核试验中,针对来流的形成装置开展了设计研究工作。来流模拟试验测试数据表明:在确保贮箱供应压力稳定的条件下,来流模拟系统能够形成100~200 m/s速度的稳定来流,发动机在来流下能稳定启动工作,真空舱压力满足试验要求。     

燃烧室声学测量和仿真的误差影响因素分析

动态压力数据对于燃烧室声学特性及燃烧不稳定性的分析具有十分重要的意义,由于测点数量有限,实际工程分析中还需要借助声学仿真补充模态分布及频响曲线等多维信息。某些情况下,主次模态频率间隔较小、主模态幅值不太突出,声学测量和仿真之间的误差会严重影响对实际声模态类型的判断。通过燃气发生器缩尺件声学实验及仿真计算,具体分析了在燃烧室声学特性分析过程中的各种误差源,其中包括测量点位置、来流温度、喷注及测量缩进小腔等。研究表明:声学仿真能够准确得到实际的声学模态频率分布,平均温度引起的频率差异不可忽略,非波腹位置处测量的模态幅值需要考虑测点位置的影响,喷注缩进小腔能使特定模态幅值降低,而测量缩进小腔会导致某阶模态幅值的测量结果偏高。