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充气展开薄膜管气固耦合特性研究

马瑞强  
【摘要】:充气展开结构具有折叠体积小、重量轻、展开可靠性高等特点,在航空航天等领域具有广阔的应用前景。充气薄膜管作为空间充气结构的典型支撑构件,其展开过程对卫星本体具有一定的影响,通过研究薄膜管充气展开中气固耦合问题,能为充气薄膜管平稳有序的展开提供一定依据。为此,本文建立了薄膜管充气展开中气固耦合分析模型,研究了薄膜管充气展开中的气固耦合特性与充气展开后的模态和谐响应等振动特性。 针对薄膜管充气展开中的气固耦合求解问题,本文建立了薄膜管充气展开中任意瞬时的准静态模型,改变阻板高度实现模拟薄膜管展开过程中的各个瞬态。推导了ALE描述下气流控制方程与含预应力的薄膜管壁的振动方程,并对气流控制方程和薄膜管壁振动方程进行数值离散,利用气固耦合边界条件和ALE动网格方法,给出了薄膜管充气展开中气固耦合问题求解方法。 基于建立的充气薄膜管的气固耦合问题求解方法,研究了充气薄膜管展开过程中的气固耦合问题。首先,分析了薄膜管内气流流场,并基于充气薄膜管准静态模型,研究了薄膜管充气展开中的气固耦合特性。最后,给出了气体参数、充气薄膜管结构参数对气固耦合引起的薄膜管的应力和位移的影响规律,这可为充气薄膜管的展开动力学研究提供理论依据。 针对充气展开后薄膜管动态特性问题,本文建立了充气薄膜管湿模态分析方法,研究了内充气体对薄膜管模态和谐响应的影响规律。首先,采用湿模态分析方法,对充气薄膜管的模态进行求解,研究了气体参数对充气薄膜管模态的影响规律,给出了气体密度和声速对各阶模态的影响。最后,研究了充气薄膜管结构参数变化时,管内气体对充气薄膜管模态影响系数的变化规律,其研究结果可以为充气薄膜管展开后的动态特性研究提供参考。


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