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充液挠性系统动力学分析及在航天工程中的应用研究

李青  
【摘要】:液体和挠性体构成了航天器的分布参数系统,它们的动力学行为直接影响着控制系统的性能。随着航天工程的不断发展,航天器结构日益复杂化、运动因素呈现多样性、控制要求也大幅提高,这就需要对航天器中的液体晃动和挠性体振动以及它们对系统动力学的影响进行更深入的研究。因此,本文从航天工程的实际需求出发,对充液挠性系统动力学开展了理论分析和应用研究。 在理论分析方面,本文完善了三维液体晃动的等效力学模型、分析了刚-液耦合系统的参数振动稳定性、研究了挠性体的碰撞和非线性振动机理。 为了建立复杂形状贮箱内液体晃动的动力学模型,本文从理论上推导了作三维平动和转动的任意形状贮箱内液体晃动的等效力学模型,建立了等效力学模型参数的有限元求解模型,并提出了一种高效的数值算法;分析了非轴对称贮箱内液体晃动的等效力学模型的特点,并采用解析解和CFD方法进行了验证。 为了分析纵向参数激励下充液航天器的稳定性,本文利用液体晃动的等效单摆模型研究了平动刚-液耦合系统的参数振动稳定性与非耦合系统的不同之处,揭示出在纵向参数激励下充液航天器可能出现纵横耦合振动现象。 本文研究了外激励下中性面耦合变形带来的几何非线性效应,揭示了在斜向冲击、碰撞等作用过程中的轴力刚度效应是导致非线性振动的一个重要原因;讨论了不同的浮动坐标系选取对仿真结果的影响,说明了提高仿真精度的关键不取决于浮动坐标系的选取,而是适当考虑几何非线性效应和提高模态阶数。 在应用研究方面,本文利用理论分析的成果建立了考虑液体排放的变充液比液体晃动动力学模拟方法、提出了柔性太阳帆的动力学降阶模型。 为了解决有液体排放的液体晃动问题,本文提出了变参数等效力学模型模拟方法,通过与CFD方法的对比验证,分析了该模拟方法的适用工况范围。 采用考虑中性面耦合变形的混合坐标方法,本文了建立了柔性太阳帆动力学模型,利用预应力模态完成模型降阶,可以考虑太阳帆特征频率随太阳光压载荷的变化,其有效性通过了非线性有限元方法的验证。


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