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力学学报 2022年第9期54卷 2543-2551页

作者：卢煜岳宝增马伯乐郝柏隆常园园张薇北京理工大学宇航学院北京100081 北京宇航系统工程研究所北京100076

现代航天器通常携带大量的液体推进剂,在航天器的姿态发生变化的过程中,由于惯性力和重力的作用,可能会导致液体燃料发生剧烈晃动,由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响.为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求,... 详细信息

现代航天器通常携带大量的液体推进剂,在航天器的姿态发生变化的过程中,由于惯性力和重力的作用,可能会导致液体燃料发生剧烈晃动,由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响.为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求,本文研究并验证了一种用于等效液体大幅晃动的动力学模型.首先将液体大幅晃动运动脉动球模型MPBM推广到重力环境中,通过脉动球的牛顿-欧拉动力学方程和“呼吸运动”过程中能量关系式,推导出晃动力法向分量的表达式.同时,引入不参与晃动的液体的等效模型,使得液体质心位置的计算更加准确.通过和文献中实验数据以及CFD软件的计算结果进行比较,分别验证了推广的MPBM模型在大幅晃动、零动量机动工况下的有效性,并基于该等效模型,研究了脉冲激励的不同时序对航天器中液体晃动响应的影响.最后,设计并搭建了用于精确测量液体晃动力的实验平台,验证了MPBM模型在等效非球形储箱的液体晃动时也同样可以很好地反应出晃动力的变化趋势.本文的研究工作对进一步研究重力环境中充液航天器刚–液耦合动力学行为具有重要的参考价值.

关键词：运动脉动球模型液体大幅晃动液体晃动实验充液航天器

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球形贮箱内液体晃动实验及等效力学模型参数辨识研究

球形贮箱内液体晃动实验及等效力学模型参数辨识研究

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作者：李超广西科技大学

学位级别：硕士

随着我国工业的快速发展,在液体燃料和原料方面的需求日益增加,而贮箱内液体晃动问题广泛存在于航空航天、油气公路运输、核电工程等领域。从工程角度来看,贮箱内液体晃动时所呈现的复杂的非线性运动以及产生的不平衡晃动力、晃动力矩... 详细信息

随着我国工业的快速发展,在液体燃料和原料方面的需求日益增加,而贮箱内液体晃动问题广泛存在于航空航天、油气公路运输、核电工程等领域。从工程角度来看,贮箱内液体晃动时所呈现的复杂的非线性运动以及产生的不平衡晃动力、晃动力矩对贮箱及其相关结构的稳定性和安全性有着重要的影响。本文针对于球形贮箱内的液体晃动问题,主要考虑水平衡向外激励对贮箱内液体晃动的影响。以准确的测量晃动力和晃动力矩为目的,搭建了液体晃动实验平台,并推导出处理数据的计算方法;通过大量的晃动实验分析,研究了不同工况下的液体晃动行为特性;以实验数据为基础,利用CFD仿真软件进行仿真,并将结果与实验进行对比,进一步验证了实验的准确性与可靠性;利用灰箱辨识方法对液体晃动等效力学模型的参数进行了辨识。其中,具体工作如下:(1)基于流体动力学理论,给出液体晃动基本方程及边界表面控制方程,推导柱坐标下的晃动波高和速度势函数表达式;基于等效原则将贮液罐内液体晃动等效为一阶单摆模型;最后对最小二乘法的辨识原理进行了推导,为后文的液体晃动系统参数辨识奠定了基础。(2)考虑横向外激励对贮箱内液体晃动的影响,以晃动力和晃动力矩的高效、准确测量为技术手段,基于液体晃动动力学基础理论,设计一种液体晃动力和晃动力矩实时采集与分析的实验平台,并根据设计原理推导出晃动力和晃动力矩的实验数据处理和计算方法;开展大量不同工况的液体晃动实验,通过实验现象和实验数据研究晃动行为特性,为进一步研究液体晃动动力学特性的在线实时测量、晃动状态识别、晃动抑制等相关问题提供可靠的实验数据和一定的研究基础。(3)基于实际实验数据,利用商业CFD有限元软件进行仿真分析。与此同时,将多种工况的仿真结果与实验相对比,从而进一步验证了实验结果的准确性与可靠性;针对于大幅液体晃动进行了更进一步的深入讨论,分析了球形贮箱内液体大幅晃动的特性,并利用CFD软件进行了带有不同面积防晃板的液体防晃仿真。(4)基于参数化的等效单摆模型,对球形贮箱内液体晃动建立动力学方程,并将其转化为状态空间表达式;开展大量自由衰减晃动实验,将实验数据进行降噪处理后在MATLAB软件中使用灰箱辨识方法对系统参数进行辨识,并通过理论方法计算出固有频率和阻尼比的值,同时通过FFT变换得到其频谱图;将固有频率的辨识值、理论计算值、频谱分析值、实验值进行比较分析,进一步验证了辨识方法的辨识效果。

关键词：液体晃动实验 CFD仿真等效力学模型参数辨识

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