求解液体大幅晃动问题的数值方法评述

对在推进剂贮箱中带有自由液面液体大幅晃动问题的研究是一个在充液航天器动力学与控制分析中十分重要的问题．介绍和评述了求解带有自由液面液体大幅晃动问题的数值模拟方法,并简要介绍了这一领域的主要研究成果以及对今后工作的进一步展望     

微重力环境下轴对称贮腔类液刚耦合动力学

采用球坐标系描述球腔中的液体动力学特性,并建立一种轴对称贮腔类液刚耦合系统动力学模型.采用模态展开方法分析了微重环境下球形贮箱中的液体晃动问题,给出了球形贮箱内液体晃动速度势函数和波高函数的高斯超几何级数解析表达式.采用伽辽金变分原理推导了系统动力学模型,并进行了特征频率分析.对耦合充液系统进行了数值仿真计算,并得到系统自由度随时间的变化历程.     

柔性贮箱内液体晃动的分析模型

研究了贮箱内液体晃动建模中贮箱的柔性与刚性、液体自由面的晃动与非晃动之间的差别．利用液体晃动特征模态和容器结构振动特征模态将液体晃动和弹性结构振动这2个相互耦合的微分方程边值问题进行离散，从而导出了液固耦合系统的动力学方程、相应的液固耦合系统固有频率方程以及液体晃动对容器和充液容器系统对基座的作用力主矢主矩的计算表达式．通过数值计算，比较了刚性贮箱和柔性贮箱之间在液体晃动频率和晃动作用力主矢主矩上的差异；液体引入表面波假设与不计表面波动的柔性壁贮液容器在结构振动频率和作用力主矢主矩上的差别．通过对柔性贮箱内液体晃动动力学模型的无量纲化，得到了确定该动力学模型的3个基本参数，数值研究了这3个基本参数对系统固有频率、系统响应力主矢主矩的影响．     

求Cassini贮箱内液体小幅晃动频率的解析方法

为得到航天器上燃料晃动频率,针对Cassini贮箱内液体小幅晃动,将贮箱的柱段近似为非常扁长的椭球,建立了原点位于与箱内静液面接触线处相切的圆锥顶点的球坐标系,用高斯超几何级数解析表达速度势和波高的模态函数,采用伽辽金方法将变分方程转变为一个标准的特征值问题形式的频率方程,求解了不同尺寸比例的旋转椭球形贮箱和Cassini贮箱在不同的充液比和不同的Bond数情况下液体小幅晃动的基频,并与已有的理论和实验结果进行对照.结果表明,本文方法用于求解旋转椭球形贮箱和Cassini贮箱内液体小幅晃动频率是可行的.     

平放柱形贮箱内液体晃动的等效力学模型

以油罐车为背景，研究平放柱箱液体晃动的模态响应．采用Galerkin方法建立了贮箱平动激励下离散的液体受迫晃动方程，建立了三维受迫晃动响应的等效力学模型．首先考核了晃动特征问题有限元方法和程序的正确性．其次数值实验显示，在液体三维晃动的横向、纵向、混合的3种可能模态中，贮箱的横向激励仅激发液体沿横向的二维晃动模态，纵向激励仅激发液体沿纵向的晃动模态；不存在其他形式的模态响应．最后算例分析了液体沿纵向晃动的固有频率和晃动质量随贮箱长度、充液量和横截面几何形状的变化，结果表明，纵向晃动固有频率随贮箱长度而下降，晃动质量随贮箱长度而增加．     

带有弹性隔板的圆柱形贮箱内液体的晃动问题

贮箱内的液体晃动会影响航天器的稳定性。为抑制液体晃动，常在贮箱内布置一些隔板。研究了圆柱形贮箱内液体晃动和弹性隔板振动的耦合问题。在研究中考虑了自由液面边界条件，由于流体和弹性隔板的耦合边界条件比较复杂，在理论分析上有较大的困难。对防晃隔板的上下两部分中的液体分别采用不同的速度势函数，首次利用双势函数导出了耦合频率的方程。通过数值计算得到了基频随隔板位置及刚度变化的规律。     

微重条件下两底为半球面腰为圆柱面贮箱中液体的受迫晃 …

本文研究了微重条件下两底为半球面腰为圆柱面贮箱中液体的受迫晃动特性,用一类特征函数展开的方法求出液体自由晃动频率,速率势,推出了贮箱横向振动时液体受迫振动的动力学方程和边界条件,利用函数展开法求出液体受迫振动速度势,并给出了腔体横向振动时液体对腔壁的反力和反力矩。最后给出了数值计算结果。     

基于SPH方法的液体晃动数值模拟

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟研究贮液容器中带有自由表面的液体晃动问题.应用密度对比法捕捉自由表面粒子,并采用边界排斥力法与镜像粒子相结合的方法处理固体边界.计算了贮液容器中粘性流体的自由晃动以及外部激励下的一阶模态晃动,得到了自由液面的波动和监测断面上的压强分布.将计算结果与理论值以及前人的实验数据对比表明,光滑粒子动力学方法作为一种无网格法,能较好地模拟带有自由液面的液体晃动问题.     

充液航天器试验的三维数值分析

对自旋充液航天器地面气浮台试验的动力学特性进行了分析和计算。以刚体系统的动量矩定理和流体运动的基本方程为基础，考虑液体晃动、涡旋、重力、离心力及Ｃｏｒｉｏｌｉｓ力等因素的影响，并运用Ｐｆｅｉｆｆｅｒ推广的关于流体均匀涡旋运动的理论，导出了液体晃动的边值问题和流固耦合旋转系统运动的联立微分方程组。运用边界元方法求解了重力场中部分充液偏置贮箱内液体晃动的三维边值问题，并将系统运动的联立微分方程组交换后化为广义特征值问题来求解。从而求得液体晃动的能量耗散率和系统的章动时间常数。     

微重条件下两底为半球面腰为圆柱面贮箱中液体的受迫晃动特性

本文研究了微重条件下两底为半球面腰为圆柱面贮箱中液体的受迫晃动特性。用一类特征函数展开的方法求出液体自由晃动频率、速度势。推出了贮箱横向振动时液体受迫振动的动力学方程和边界条件,利用函数展开法求出液体受迫振动速度势,并给出了腔体横向振动时液体对腔壁的反力和反力矩。最后给出了数值计算结果。     

基于ALE有限元方法的充液刚体耦合动力学仿真

假设液体是不可压缩的粘性液体,用Jourdain形式的普遍动力学原理建立充液系统的动力学控制方程,并采用交替积分法求解此数值计算模型.液体模块采用Lagrange-Euler描述方法建立有限元计算模型;充液刚体模块利用二阶显式Runge-Kutta格式离散的常微分方程组.在刚-液耦合界面将传递系统质心、转动惯量、晃动力、晃动力矩以及惯性力等耦合物理量.计算结果表明该方法能正确地反映充液耦合系统的运动学特征.与假设液面未扰充液系统的响应结果相比,耦合计算获得的结果具有较大幅度的角速度响应.     

U形渡槽水体大幅晃动的ALE有限元模拟

应用任意拉格朗日-欧拉有限元方法分析大型u形渡槽结构中流体的大幅晃动问题；针对不同的水位，研究渡槽结构在谐波激励和地震作用下的振动反应．数值分析表明，渡槽结构中水体的晃动具有明显的非线性特征，且随着水位的增高，水体晃动的非线性增强；同时存在某一水位使得水体的晃动幅度产生突变增大．     

带有充液容器的压电结构晃振建模研究

为了利用压电驱动器作为主动元件抑制带有充液容器的结构晃振,需要对压电结构晃振进行精确建模。本文针对一个自由端部带有充液容器的压电悬臂结构,利用有限元方法对无充液情况下的压电悬臂结构进行模态分析并建立其状态空间表达式,利用质量摆等效力学模型描述容器中液体晃动,将推导出的压电悬臂结构模型和液体晃动模型耦合得到整个系统晃振模型。通过试验分别验证不同充液水平下的晃振模型的频率 和Bode图,结果表明建立的带有充液容器的压电悬臂结构晃振模型及其状态空间表达式可用于控制设计。     

人字形密肋式折板拱壳的动力特性分析

针对人字形密肋式折板拱壳结构,采用有限元理论和子空间迭代法求得了结构的自振频率,分析了结构的振型特点,详细讨论了矢跨比、脊线刚度、边梁刚度和柱上肋梁的刚度对结构基频的影响,还讨论了建筑构造做法所产生的外加质量对结构自振特性的影响。分析表明,结构的低阶振型主要表现为竖向振型,横隔是结构整体刚度的薄弱环节,结构基频随矢跨比的降低而增加,这与传统认识不符。建议结构的矢跨比不宜小于1／6,脊线和边梁刚度对基频的影响很小,边梁的跨高比可取1／20—1／16,提高柱上肋的刚度有利于改善结构的整体刚度,结构动力特性分析时应计及建筑构造做法所产生的外加质量的影响。分析结论可为类似工程应用提供参考。     

充液航天器姿态稳定分析的Casimir方法

充液航天器中的液体燃料晃动将可能导致航天器姿态不稳定性现象的发生．本文采用哈密顿动力学方法研究了半充液航天器姿态运动的稳定性问题．首先将晃动液体等效为弹簧质量块力学模型,建立了液体晃动与航天器姿态多体耦合动力学系统的哈密顿方程,并进一步推导了与耦合动力学系统相关的Casimir函数;借助于Casimir函数并采用李亚普诺夫稳定性理论推导出耦合系统的稳定性和非稳定性条件,最后给出了数值仿真结果及相关结论．     

一种微电子机械系统共振器的非线性自由振动

该文建立了某微电子机械系统共振器的单自由度非线性力学模型，由微分方程的线性化方法和一元高次方程理论，讨论了自由振动的平衡位置以及系统非线性自由振动的频率和运动响应的求解方法，给出了刚度较小时的非线性自由振动的解析解，这对相应的共振器设计具有一定的参考价值。     

损伤粘弹性正交铺设层合板的非线性振动分析

研究了考虑横向剪切变形和损伤效应的粘弹性正交铺设层合中厚板的非线性自由振动问题.基于一阶剪切变形理论、应变等效假设和Boltzmann叠加原理,建立了考虑横向剪切变形和损伤效应的粘弹性层合中厚板的非线性自由振动控制方程,且应用有限差分法、Newmark法和迭代法进行求解.算例中,具体讨论了损伤效应、不同跨厚比和长宽比对粘弹性层合板的非线性自由振动幅频响应曲线的影响.     

高速船垂向振动计算的流固耦合分析

寻求一种既能提高高阶计算精度,又计算简便能满足工程要求的实用计算模型,以提高振动预报的精度,这对于高速船的设计计算是迫切需要的,建立了二维模型杆-膜和梁-膜模型,船体结构部分采用二维有限元法计算,流体部分采用考虑线性自由表面条件和采用高频极限近似两种二维边界元法计算,应用改进的行列式搜索法以及交叉迭代法求解特征值及对应的特征向量,解决流固耦合问题.通过采用不同的附加质量计算方法以及不同的模型(杆-膜或梁-膜模型)分别进行计算,并对结果进行了比较分析.实船计算表明,编制的程序计算结果可靠,具有较强的工程实用价值.