圆形太阳翼模态仿真与试验研究

利用有限元软件SAMCEF实现了圆形太阳翼模态仿真分析，探究了翼面预紧力、约束方式和悬吊弹簧重力卸载系统对太阳翼模态的影响。结果显示，翼面预紧力对太阳翼模态影响较大；支撑车约束方式微小影响太阳翼第一阶模态；有支撑车相比无支撑车，太阳翼第一阶模态频率差值可达32.89%，因此地面试验不能使用支撑车；含悬吊弹簧重力卸载系统可有效减轻重力作用对模态的影响；此外，当弹簧刚度小于7 N/m时，其对太阳翼模态的影响小于0.59‰。随后，采用工作模态法和双点激振方式，经预试验优化地面试验方案；采用正弦扫频方法进行模态测试，获得了圆形太阳翼的前四阶模态振型和固有频率。最后，通过有限元模型修正，使模态仿真结果误差保持在4.16%以内，符合测试相关标准的要求。     

火箭发动机涡轮典型结构形式对叶片低周疲劳寿命的影响研究

以某火箭发动机涡轮为对象,研究了涡轮叶片带冠、不带冠、带部分冠及叶片空心等典型结构形式对叶片低周疲劳寿命的影响。结果表明:叶片不带冠可以消除叶片顶部的疲劳损伤,但使叶背根部损伤增大,危险点位于叶背根部,叶片寿命与带冠叶片相当;带部分冠叶片在消除叶顶疲劳损伤的同时,还可以减缓叶背根部的低周疲劳,危险点位于前缘根部,寿命比原叶片高约116%;叶片空心结构可以有效降低叶片的应力应变水平,减缓叶片疲劳的效果最好,空心叶片危险点位于前缘根部,寿命比原叶片高约370%。     

传热对微型发动机预混催化燃烧特性影响的研究

为了研究传热对微型发动机燃烧室内甲烷催化燃烧特性的影响,采用CH4和空气的预混合气体,对在活塞上表面和燃烧室顶部涂有Pt-La/γ-Al2O3催化剂的传热情况下的微型发动机的催化燃烧特性进行了实验研究及数值模拟,详细对比分析了3种典型的管壁材料(Si,Fe和矾土),有、无催化涂层及绝热与传热情况下的微型发动机燃烧室内CH4的催化燃烧特性。结果表明:对于Pt-La/γ-Al2O3催化下自由活塞式的微型发动机,受尺度减小引起的传热损失对催化燃烧过程影响不大;有催化情况下的燃烧效率明显高于无催化,催化燃烧具有更高的燃烧室内温度,可以实现更高的动力和电能输出,微型发动机(MEMS微推进系统)具有更高的输出功率和能量密度;管壁材料为导热系数较小的矾土的催化燃烧效率略高于导热系数较大的Si;微型发动机燃烧室的壁面材料应采用具有承受应力高、适应温度广、机械性能及抗变形能力强等优点的耐火陶瓷。     

圆形薄膜太阳翼展开动力学分析与模态分析

针对圆形薄膜太阳翼展开过程中存在的柔性大、非线性强、耦合程度高以及展开过程复杂等问题,本文以UltraFlex太阳翼为研究对象,使用膜单元模拟翼面,相比于壳单元获得了更好的展开效果,利用非线性有限元软件SAMCEF对其展开过程进行动力学仿真分析,通过分析系统展开过程中能量变化曲线,研究不同转角驱动函数对其展开稳定性的影响。对圆形薄膜太阳翼展开锁定状态进行模态分析,与NASA的ANSYS分析结果相一致。将分析结果与NASA UltraFlex样机试验结果进行对比,模态频率误差在6.77%以内,符合美国TRL6技术标准,验证了SAMCEF有限元数值仿真模型的准确性和有效性,具有一定的工程实际意义。     

火箭发动机涡轮叶片疲劳寿命可靠性分析

由于生产加工和使用过程中材料属性、结构尺寸以及工作载荷等的随机性,疲劳寿命通常存在较大的分散性。考虑结构几何参数、材料属性、工作载荷等变量的随机性,采用Monte Carlo模拟法与响应面法相结合,对液体火箭发动机涡轮叶片进行概率疲劳寿命分析,确定了涡轮叶片疲劳寿命可靠度模型,并分析了疲劳寿命对各随机变量的敏感度,以及变量分散度对疲劳寿命的影响。结果表明:疲劳寿命呈偏态分布;涡轮入口温度对叶片疲劳寿命影响最大,材料的低周疲劳性能参数对寿命影响较大,转速及热膨胀系数对寿命有一定影响,而其他参数对寿命的影响小;控制变量分散度是提高叶片安全寿命的有效途径,对单变量而言,控制涡轮入口温度分散度效果最显著。     

UltraFlex太阳翼有序展开动力学建模与分析

针对刚柔耦合的圆形薄膜UltraFlex太阳翼结构动力学建模与分析困难、微重力下薄膜运动复杂和展开精度要求高的问题,搭建了UltraFlex展开动力学数值分析模型,分析了扭簧和绳索驱动下UltraFlex的有序展开动力学特性。基于绝对坐标方法建立包含柔性附件和柔性薄膜的UltraFlex动力学模型,采用两步检测算法处理薄膜间的复杂接触碰撞问题,利用扭簧逐步释放扭矩的方法驱动结构有序展开,通过控制绳索释放速率的方法完成移动箱板的转动规划和限位跟踪,提高展开位置精度。将该展开驱动策略运用到NASA实际样机尺寸的UltraFlex分析模型中,仿真结果表明该展开策略能够使得UltraFlex结构高精度、有序、稳定地展开;绳索始终处于张紧状态,最大拉力为62.5N;薄膜展开过程复杂,重复出现张紧、回弹的现象,最终趋于稳定。     

UltraFlex太阳电池阵的结构优化

以提高圆形太阳电池阵的展开过程稳定性和固有频率为优化目标,以UltraFlex太阳电池阵为模型,采用有限元软件SAMCEF对其进行结构优化。以承重梁材料、斜梁开口高度、斜梁位置、梁截面高度及厚度5种结构参数为优化变量,进行了多种工况的展开动力学仿真和模态计算。经分析发现,结构展开后期太阳毯与支撑梁拉扯会导致支撑梁剪切应力激增;梁材料、斜梁位置与支撑梁截面高度对太阳电池阵的展开过程稳定性影响较大;当梁材料为碳纤维,斜梁位置为1100 mm,梁截面高度为20 mm时,展开过程稳定性最好;斜梁位置和承重梁截面厚度对结构固有频率影响较大;当斜梁位置为900 mm或1100 mm、承重梁截面厚度从3 mm增至3.5 mm时,系统固有频率涨幅最大,由此带来的质量增加可以接受。