充液输流管动力学分析与参数优化设计

作     者：邵沛泽 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶红玲;郑会龙

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：输流管 动力学特性 动响应 响应面方法 参数优化设计 

摘      要：航天器燃料电池系统中,输流管结构将系统中的各部件搭建在一起构成了一个完整的航天器供电系统,并实现了航天器供电系统中燃料和氧化剂的供给。由于输流管在运行过程中不可避免地出现工作元件状态的变更或干扰,进而引起内部流体的非定常流动。输流管内流体的非定常流动对管道系统中的工作元件有很大影响,如引起管道系统的振动和恶化系统工作环境等,这会大大降低航天器燃料电池系统运行的可靠性,严重时会造成管道爆裂或系统失效等重大工程事故。因此,研究输流管系统的动力学问题,并对输流管主要参数进行优化设计,对提高系统运行可靠性具有十分重要的理论意义和工程价值。本课题主要从以下几个方面对输流管道动力学问题进行研究:(1)基于有限元软件ADINA建立了输流弯管与曲管的动力学有限元模型,研究了流固耦合作用下的输流管道动力学特性问题。针对不同管道壁厚、管道内径、弯管弯角角度、曲管曲率半径及材料弹性模量的情况,进行输流管系统的模态分析,获得了各参数对系统动力学特性的影响规律。(2)建立了流体非定常流动状态下输流曲管系统的有限元模型,研究了压力管道中输流曲管系统的动力学响应问题。针对不同曲管曲率半径、壁厚、管道内径及材料弹性模量,进行输流曲管系统的动力学响应分析,获得了各参数对曲管最大响应动位移的影响规律。(3)建立了以曲管最大响应动位移为目标函数,基频大于工程设计要求为约束,以曲率半径、壁厚和管径等为设计变量的优化模型。利用最大差值最小化响应面拟合方法对目标函数与约束函数进行近似显式化,并基于MATLAB软件平台,采用序列二次规划方法对优化模型进行求解,获得了提高系统稳定性的设计方案。本文研究结果符合预期设想,为设计可靠、安全、优良的空间燃料电池系统提供理论参考依据。