充液系统动力学问题

充液航天器内部液体晃动及其对控制系统的影响,是当前国内外航天高科技研究的重要课题,也是一个比较复杂的问题.本文首先由力学变分原理导出充液系统的状态方程,其次分析了充液系统的稳定性,简述了在微重条件下充液航天器内部液体晃动的动力学特性.     

容器匀加速运动状态下液体大幅晃动的解析计算

针对矩形容器在匀加速运动下的液体受迫晃动问题,采用基于非线性振动的解析方法求出流体速度势和自由液面波高函数的解析近似解,并分析晃动非线性因素以及外部参数的影响作用.将晃动方程组无量纲化后,运用小参数法将其转化为若干线性偏微分方程组,再使用分离变量法求解.根据解析解表达式,揭示出自由液面波高函数非线性项和底部流体速度势非线性项的主要成分.分析结果表明,晃动非线性效应与加速度平方成正比;充液率的变化使得线性晃动固有频率的数值发生改变,进而对解析近似解造成影响,其影响程度由固有频率曲线的斜率决定.     

不同储液率大型储油罐的地震动响应

地震中储油罐的损伤,不仅会造成土壤的污染,也可能会引发火灾等重大次生灾害。本文针对黄土地区储油罐的动力灾变性能进行相关研究,获取不同类型地震动作用下储油罐的动力响应,获取油罐的壁板位移响应和液体晃动状态特性。结果表明:随着储液率的增大,储液罐的等效应力、壁板的速度、加速度等均有所增大,等效应力位置也有所变化;随着储液率的增大,储存液体的晃动波高逐渐增大,液体动压力也有所增大,最大动压力的位置也随着储液率的不同而有所变化。     

加速度观测器设计与仿真

介绍了利用状态反馈综合带加速度反馈的最优控制系统，利用系统所检测的位置量和速度量设计了加速度观测器，并对综合的最优控制系统进行仿真，包括系统幅频、相频特性及状态估计值与真实状态之间的误差，最后给出了有、无加速度观测器反馈时系统跟踪晃动误差曲线。带加速度观测器反馈系统使晃动误差减小84％，滤除噪声的效果也比较好。     

液力缓速器低充液率工况扰流柱起效条件判定方法

为揭示低充液率下缓速器工作腔内气相主导的流动规律和降低空转状态下的功率损失,针对某车用液力缓速器构建了带有空损抑制扰流机构的叶轮周期流道模型,通过对低充液率不同转速下液力缓速器扰流机构起效过程流场仿真,分析了不同输入转速和不同充液率工况下的制动转矩、容积率、扰流柱挡片压力差3个关键参数的变化趋势.结果表明,制动转矩在20%充液率前后均有明显的状态变化.18%充液率前各参数单调上升且在18%充液率达到极大值,随后在20%充液率达到极小值,而后继续增大.微观两相流动层面上,20%以下充液率时油液和空气分层明显,而后流动失稳并且在20%以上充液率工况油液和空气流动分层不明显;在充液率大于18%以上时,扰流柱挡片上的压力差值大于所设计预紧力,足以压缩扰流柱挡片进入其腔体内.据此确定了低充液率工况的扰流柱起效判定方法,为扰流机构的设计提供了理论依据.      

充液航天器自旋稳定性分析的一种近似方法

研究充液航天器在液体晃动、航天器平动和摆动相互耦合情况下的自旋稳定性问题 .采用Galerkin方法建立液体受迫振动的离散动力学方程 ,并对液体自由振动的特征问题建立了有限元数值计算方法 .由系统的动量方程、动量矩方程和液体受迫振动方程建立刚 -液耦合系统的姿态动力学方程 ,并由 Kelvin定理给出了充液航天器的自旋稳定性判据 .通过有限元分析 ,消去稳定性判据中的液体晃动特征模态矩阵 ,从而得到稳定性判据与充液腔体无关而仅与液体自由面有关的结论 .稳定性判据适用于带任意形状的轴对称充液腔的自旋航天器系统 .     

平放圆柱体内液体晃动特性及横向受力分析

基于势流理论研究平放圆柱形贮箱内任意充液比液体晃动问题,用Galekin方法求解该边值问题。研究液体自由晃动问题求出满足边界条件的势函数空间项,分析液体晃动频率随充液比例和半径变化的情况,并与实验结果进行了对比,吻合良好。在液体强迫晃动中从自由液面动力学方程出发消掉空间项得到势函数时间项n阶微分方程并数值求解。推导了液体作用在贮箱上的横向力,并计算不同充液比时地震加速度激励下的贮箱受力。     

充液椭球形Cassini贮箱刚-液耦合晃动特性试验研究

针对火箭发生刚-液耦合晃动现象时,箭体产生的横向偏移和姿态偏转难以在地面有效模拟的问题,设计并提出了一种基于六自由度平台的地面刚-液耦合晃动实验装置及方法,介绍了该装置的基本结构系统、刚-液耦合晃动实现方法及流程。在不同激励频率和多组充液高度下,对无挡板贮箱的刚-液耦合晃动位移进行了试验研究,发现激励频率与刚-液耦合晃动位移之间满足三次多项式函数关系。此外,从液体晃动的被动控制角度出发,在相同工况下对比探究了薄膜浮板与环形挡板对液体晃动的抑制效果,并对两种挡板结构下的晃动位移差异进行了解释分析。实验发现：薄膜浮板在不同充液高度下的“频率-位移”曲线趋势基本一致;而环形挡板与初始液位高度水平时,其对液面晃动的抑制效果最明显。     

铜热管内壁微沟槽的高速充液旋压加工

对直齿微沟槽铜热管的高速充液旋压拉拔成形加工机理进行了研究,建立了微沟槽高速充液旋压成形的几何模型,通过实验发现:微沟槽的加工包括挤压和成形两个阶段;影响微沟槽成形的主要因素包括多齿芯头几何参数、芯头位置、减薄量、拉拔速度、旋压器转速和工作温度等;通过控制挤压深度、进给量、芯头形状与位置等,可加工出不同形状、不同深宽比及不同壁厚的微沟槽;高速充液旋压加工微沟槽在生产上具有可行性,其材料利用率和生产效率高,成本低廉.     

球形弹丸对不同构型充液油箱的毁伤效应研究

为研究球形高速弹丸对不同构型充液油箱的毁伤效应,基于LS-DYNA有限元分析软件和光滑粒子流体动力学理论,建立经实验验证的充液油箱模型,其中将油箱模型沿弹丸速度方向的长度作为不变量,分析不同冲击速度、不同构型（球形、方形和柱形油箱）对弹丸速度衰减、液体压力变化及箱体前后壁板变形的影响。结果表明：油箱构型基本不影响弹丸速度衰减变化和液体压力变化;油箱构型对冲击波阵面的压力分布影响较小,而弹丸速度对冲击波阵面的压力分布影响较大,弹丸速度与冲击波压力峰值正相关;弹丸冲击速度较小时,球形油箱的抗毁伤能力更强,随着弹丸冲击速度的增大,不同构型油箱的抗毁伤能力趋于一致。     

球形弹丸对不同构型充液油箱的毁伤效应

为研究球形高速弹丸对不同构型充液油箱的毁伤效应,基于LS-DYNA有限元分析软件和光滑粒子流体动力学理论,建立经实验验证的充液油箱模型;其中将油箱模型沿弹丸速度方向的长度作为不变量,分析不同冲击速度、不同构型(球形、方形和柱形油箱)对弹丸速度衰减、液体压力变化及箱体前后壁板变形的影响。结果表明:油箱构型基本不影响弹丸速度衰减变化和液体压力变化。油箱构型对冲击波阵面的压力分布影响较小;而弹丸速度对冲击波阵面的压力分布影响较大。弹丸速度与冲击波压力峰值正相关。弹丸冲击速度较小时,球形油箱的抗毁伤能力更强;随着弹丸冲击速度的增大;不同构型油箱的抗毁伤能力趋于一致。     

充液挠性航天器液体晃动模态观测及滑模姿态控制

针对充液挠性航天器姿态机动过程中挠性附件振动和液体晃动等问题,提出了一种带有稳态液体晃动补偿的滑模变结构控制方法。基于Lyapunov稳定性理论,设计了一种改进的滑模变结构姿态控制律,采用平方根函数代替符号函数以减小抖振。考虑到液体晃动频率低阻尼小的特点,为提高姿态稳定控制的性能,设计了一种液体晃动模态观测器,在稳态过程中补偿液体晃动对航天器姿态的影响。仿真结果表明,所提控制方法可有效提高充液挠性航天器姿态的稳态指向精度和稳定度。     

考虑燃料消耗的飞机副油箱燃油晃动等效建模

随着燃料消耗,飞机副油箱内燃油的晃动特性将改变,并影响飞机飞行品质和安全。为准确高效地分析副油箱内燃油晃动行为,通过势流理论和有限元法建立了不同充液高度下燃油晃动的单摆等效力学模型。基于充液高度对单摆等效力学模型的各参数进行插值处理,提出了考虑燃料消耗的燃油晃动等效力学模型建立方法。以俯仰激励和滚转激励为例,对固定充液比和变充液比情形下的单摆等效力学模型进行了验证。结果表明,本文建立的等效力学模型对燃油动力学响应的预测结果与计算流体动力学软件的仿真结果吻合良好。可见,该等效建模方法在飞机副油箱内燃油晃动动力学描述上准确有效。     

高地隙喷雾机药箱液体晃动的等效力学模型研究

药液晃动是导致高地隙喷雾机侧倾失稳的重要因素。为准确预测药箱内液体晃动行为，本文提出一种单摆-质量-阻尼等效力学模型来模拟药箱内液体晃动行为。首先基于Adams虚拟样机仿真模型输出药箱所受随机加速度激励，并以此激励在Fluent中建立药箱液体受迫晃动模型，进行数值模拟液体晃动，获得了冲击力和冲击力矩与随机加速度的关系；然后对矩形截面药箱液体晃动进行动力学和流体力学分析，获得等效力学模型的相关参数，建立了MATLAB/Simulink系统仿真模型；最后通过Fluent验证了系统模型在充液比0.5时的可靠性。结果表明本文所建立的等效力学模型能够较准确地模拟液体晃动行为。     

船载压力油箱设计及恒压特性

针对在高海情、海浪升沉较大的工况,船载压力油箱稳压效果差的问题,提出一种具有可根据工况自调气腔压力的新型船载压力油箱设计方案。建立该油箱的数学模型,进而建立AMESim和Matlab联合仿真模型,对压力油箱进行恒压动静态特性仿真分析,最后通过传统PID和模糊PID对压力偏差进行优化控制,仿真结果表明,在传统PID和模糊PID控制下,压力偏差较无控制作用时分别降低了77%和92%。结果表明,模糊PID恒压优化控制效果更好,为压力油箱恒压稳定性后续深入研究奠定基础。     

液压油箱内气泡流动观测及气泡分离方法

针对液压油箱内气泡流动的现象,搭建气泡流动可视化试验系统,观察回油管出口附近气泡的流入和液压泵吸油管处气泡的吸入过程,获得气泡分布规律.利用Fluent中的欧拉-欧拉多相流模型,对液压油箱内流场进行气液两相流三维数值计算.基于气泡流动可视化试验结果和气液两相流的流动特性,提出两种实现气泡快速分离的方案.研究表明:系统回油管中油液携带直径大小不同的气泡进入到油箱内,快速弥散于整个油箱油液中;较大气泡能够快速上浮、逸出液面,直径较小的气泡随液流被液压泵吸入;在油液流入油箱前,通过改变油液的流态,形成旋转流或紊态流,可以使气泡从油液中快速分离.     

工程充液腔体中液体非线性晃动模型及混沌分析

以一类工程中广泛应用的充液系统为研究对象,建立了描述充液系统耦合晃动的非线性动力学方程组．深入研究了耦合系统在非内共振和内共振情况下的晃动规律,得到了以干扰力幅值为分岔参数．的分岔图及特性曲线．对比分析表明耦合系统在内共振时通向混沌的道路发生改变,出现“混沌同步性”这一新现象,充分说明在工程研究中,非线性因素以及由非线性因素弓1起的内共振现象给系统动力学带来本质变化,结果对其进一步优化设计具有指导意义．     

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.     

液罐车精确动力学建模及其侧倾稳定性

建立了常见罐体内液体侧向晃动的等效椭圆规钟摆模型,推导了罐体非惯性参照系下的钟摆动力学方程,并通过整车受力分析构建了液罐车精确动力学模型.基于此,在TruckSim中搭建了液罐车模型,研究其动力学响应特性.研究发现:与普通载货汽车相比,液罐车在侧向稳定性上有轻微的过多转向特性,其转弯半径下降约3%～7%;在侧倾稳定性上,罐车横向载荷转移率显著提高,充液比小于0.7时其临界稳定车速下降30%以上.参与冲击的液体质量占整车总质量的比值是影响罐车侧倾稳定性的关键因素,该值主要由充液比和罐体形状决定.罐车应尽量避免充液比0.4～0.7的情况,此时车辆的侧倾稳定性最差;当绝大多数情况下货物充液比不低于0.8时,车辆应装配长短轴之比较大的椭圆柱罐体,其他情况下应装配圆柱罐体.液体黏度主要对车辆的瞬态响应产生影响.液体黏度的提高能显著降低车辆稳态响应时间和超调量,且罐体长短轴之比越大,效果越显著.     

运动容器内液体大幅非线性晃动实验研究

为分析液体大幅晃动的非线性效应,对矩形容器内液体晃动的拍振和共振现象进行了相关实验研究.通过振动台对充液容器施加横向简谐激励,观察自由液面的运动形式,并采用压力传感器测量容器侧壁某点处的液体压力时间历程.实验结果表明,对于拍振晃动的情况,能够观察到明显的晃动非线性特征;对于共振晃动的情况,自由液面将很快表现为三维剧烈运动的形式,通用的非线性晃动理论模型已经失效.通过对实验结果与理论模型的数值结果进行比较,讨论了理论模型与真实晃动之间的共性与差异.