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基于对偶四元数的多体系统动力学建模和控制

力学学报 2024年第7期56卷 2091-2102页

作者：王培栋王天舒清华大学航天航空学院北京100084

空间机械臂的在轨作业是当前空间在轨服务中应用最为广泛的技术之一,然而,机械臂在操作过程中漂浮基座与臂体之间的位姿耦合效应极为显著,这给控制系统设计带来了新挑战.针对多刚体系统的位姿一体化建模与控制问题,文章改进了基于对偶... 详细信息

空间机械臂的在轨作业是当前空间在轨服务中应用最为广泛的技术之一,然而,机械臂在操作过程中漂浮基座与臂体之间的位姿耦合效应极为显著,这给控制系统设计带来了新挑战.针对多刚体系统的位姿一体化建模与控制问题,文章改进了基于对偶四元数的位姿一体化建模和控制方法,使之可以应用于多刚体系统.该方法不仅能够精确描述复杂的力学关系,还能够在统一的数学框架中有效地处理位姿耦合问题,这为后续设计姿轨一体化的控制系统提供了极大的便利.首先,基于铰链模型建立了对偶四元数形式的铰链和臂体之间的速度和加速度递推关系,然后,利用铰链和臂体间力-力矩传递关系建立了递推形式的逆向动力学方程,为了便于控制系统设计与分析,随后推导建立了矩阵形式的位姿一体化的正向动力学方程.然后针对推进器和控制力矩陀螺讨论了具体的执行机构的动力学建模问题,并分别讨论了机械臂和漂浮基座的位姿一体化控制问题.最后,对一个6自由度机械臂和漂浮基座的组合体进行了动力学建模和控制仿真,动力学仿真的结果证明了所提动力学建模方法的正确性,控制仿真表明控制系统能较快地抵消机械臂运动对基座产生的干扰力和干扰力矩,证明了所提控制方法的有效性和可行性.

关键词：多刚体动力学对偶四元数一体化控制空间机械臂漂浮基座

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流场波系引导的三维消波翼优化设计方法

航空学报 2024年第6期45卷 183-197页

作者：戴今钊陈海昕清华大学航天航空学院北京100084

为提升高超声速飞行器的升阻比,一种重要设计思想是让飞行器各组件的激波、膨胀波产生有利的相互作用,获得增升、减阻的效果。基于上述设计思想的高升阻比构型通常根据无黏二维/轴对称流场的激波-膨胀波关系设计。由于三维效应与空气黏... 详细信息

为提升高超声速飞行器的升阻比,一种重要设计思想是让飞行器各组件的激波、膨胀波产生有利的相互作用,获得增升、减阻的效果。基于上述设计思想的高升阻比构型通常根据无黏二维/轴对称流场的激波-膨胀波关系设计。由于三维效应与空气黏性的影响,其实际性能相比理想设计性能往往存在较明显的退化。针对上述问题,提出流场波系引导的优化设计方法。不同于以气动性能指标为目标的传统优化方法,该方法以设计流场的波系形态为目标引导几何参数的优化方向。设计方法在一种主翼、上翼产生有利干扰的三维消波翼的设计中得到应用验证。通过将优化构型的流场、气动性能与根据二维无黏方法设计的初始构型对比,证明了优化设计方法的有效性。通过与菱形翼对比,验证了消波翼在设计工况下相比于常规构型的升阻比优势。

关键词：优化设计消波高超声速高升阻比气动布局

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异戊烷喷淋塔内凝华碳捕集的一维模拟

清华大学学报（自然科学版） 2024年第8期64卷 1502-1508页

作者：靳鑫王兵清华大学航天航空学院北京100084

二氧化碳(CO_(2))捕集是碳减排技术的研究热点,其中低温凝华碳捕集技术具有碳捕集率高、绿色环保和二氧化碳捕集纯度高等优势,应用前景广阔。但目前凝华碳捕集的研究相对不足,且基于固体媒介凝华二氧化碳的技术途径具有显著的局限性。... 详细信息

二氧化碳(CO_(2))捕集是碳减排技术的研究热点,其中低温凝华碳捕集技术具有碳捕集率高、绿色环保和二氧化碳捕集纯度高等优势,应用前景广阔。但目前凝华碳捕集的研究相对不足,且基于固体媒介凝华二氧化碳的技术途径具有显著的局限性。该文采用基于喷淋低温液滴的凝华方法改进二氧化碳捕集技术,建立了一维异戊烷喷淋塔模型并模拟计算了稳态工作特性,通过分析喷淋塔内的温度场和浓度场,探究了喷淋塔的碳捕集率变化规律及其影响因素。结果表明:越小的液滴直径、越低的液滴初始温度和较长的气液相互作用时间对提升喷淋塔的碳捕集率具有重要作用。此外,该文还揭示了喷淋塔内二氧化碳的浓度场是凝华过程的主控因素,而塔内凝华的发展程度及碳捕集率则取决于液滴初始温度和气液相互作用时间。

关键词：异戊烷喷淋塔低温碳捕集技术气固凝华数值模拟

弹性飞行器飞行动力学建模与刚柔耦合阶次分析

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宇航学报 2024年第2期45卷 240-249页

作者：安阳王天舒清华大学航天航空学院北京100084

基于虚功率原理与混合坐标法,建立了弹性飞行器的飞行动力学模型。发现了附加在弹性结构上的部件会对飞行器姿轨运动与结构振动产生影响,从而给出了耦合系数与模态质量的修正项。定义了描述弹性变形项保留程度的刚柔耦合阶次,并以由弹... 详细信息

基于虚功率原理与混合坐标法,建立了弹性飞行器的飞行动力学模型。发现了附加在弹性结构上的部件会对飞行器姿轨运动与结构振动产生影响,从而给出了耦合系数与模态质量的修正项。定义了描述弹性变形项保留程度的刚柔耦合阶次,并以由弹性本体和刚体舵面组成的刚柔耦合多体系统为例,通过对比不同刚柔耦合阶次下动力学模型的时域响应与保守系统的动量计算结果,分析了动力学模型及动量公式中弹性变形项的保留阶次对动力学响应及动量计算精度的影响。揭示了传统模型忽略弹性变形高阶项可能导致的误差水平,为弹性飞行器动力学模型的简化与验证提供了参考。

关键词：弹性飞行器耦合动力学刚柔耦合阶次虚功率原理混合坐标法

弹击载荷下陶瓷⁃UHMWPE复合结构厚度比对背面变形的影响分析

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含能材料 2024年第9期32卷 964-971页

作者：张逸之杨尚霖柳占立清华大学航天航空学院北京100084

陶瓷⁃超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合结构具有优异的防弹性能,但是其在弹击载荷下的背面变形规律仍不清晰。研究建立定量描述弹击载荷下陶瓷⁃UHMWPE复合结构背面变形的理论模型,分析了相同面密度下陶瓷与UHMWPE层厚度比对背面变形的影响... 详细信息

陶瓷⁃超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合结构具有优异的防弹性能,但是其在弹击载荷下的背面变形规律仍不清晰。研究建立定量描述弹击载荷下陶瓷⁃UHMWPE复合结构背面变形的理论模型,分析了相同面密度下陶瓷与UHMWPE层厚度比对背面变形的影响机制。结果表明,相同弹击速度和面密度条件下,厚度比值越大,单位厚度的UHMWPE层储存的能量越大,导致背面变形越大。

关键词：陶瓷复合结构防弹性能轻量化设计理论分析厚度参数

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蛇形管内燃油变物性流动换热特性数值模拟

清华大学学报（自然科学版） 2024年第2期64卷 337-345页

作者：李玉王相钦闵敬春清华大学航天航空学院北京100084

蛇形管空油换热器可用于航空发动机的冷却,该文通过数值模拟研究了蛇形管内航空煤油的流动换热特性,分析了燃油入口流速、管壁温及蛇形管直管段长度对流动换热的影响,对比了直管段与弯管段、常物性与变物性下流动换热特性的差异。综合... 详细信息

蛇形管空油换热器可用于航空发动机的冷却,该文通过数值模拟研究了蛇形管内航空煤油的流动换热特性,分析了燃油入口流速、管壁温及蛇形管直管段长度对流动换热的影响,对比了直管段与弯管段、常物性与变物性下流动换热特性的差异。综合考虑换热器的紧凑度及燃油流过换热器时可能发生结焦,蛇形管内径取值2.0 mm,另外燃油流过蛇形管时被加热,温度可以升高数百摄氏度,燃油物性将会产生剧烈变化,因此本研究特别关注蛇形细管内燃油的变物性流动换热特性。研究结果表明:弯管段的对流换热系数明显高于直管段,但同时弯管段压降也显著增大;变物性的对流换热系数明显高于常物性,而变物性的压损明显低于常物性;变物性时管壁温对流动换热特性的影响较为显著,而直管段长度对流动换热特性的影响相对较弱。

关键词：蛇形管航空煤油变物性流动换热数值模拟

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连续小推力轨迹优化间接法研究进展综述

宇航学报 2024年第7期45卷 995-1007页

作者：武迪郭祥蒋方华宝音贺西李俊峰清华大学航天航空学院北京100084

针对空间探测中连续小推力轨迹优化,总结了间接法在最优控制理论、初值估计和同伦延拓方法等方面的研究进展。首先介绍了连续小推力轨迹优化问题的建模及其相应的最优控制问题的状态方程、约束方程和性能指标,对比了两类主要优化方法,... 详细信息

针对空间探测中连续小推力轨迹优化,总结了间接法在最优控制理论、初值估计和同伦延拓方法等方面的研究进展。首先介绍了连续小推力轨迹优化问题的建模及其相应的最优控制问题的状态方程、约束方程和性能指标,对比了两类主要优化方法,即直接法和间接法的求解思路与优缺点。随后总结了轨迹优化初步设计、间接法初值估计以及同伦延拓方面的研究进展,探讨了智能优化和深度学习在轨迹优化间接法中的应用,进一步结合当前大规模任务规划、实时最优控制等需求讨论了间接法的应用。最后,对连续小推力轨迹优化间接法的发展展望进行了总结。

关键词：空间探测连续推力间接法打靶法初值估计同伦延拓

适用于大攻角与大舵偏角的刚柔耦合飞行动力学线性化模型

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第9期64卷 1547-1554页

作者：安阳王天舒清华大学航天航空学院北京100084

针对飞行器大攻角与大舵偏角等不满足传统模型假设的飞行特点,采用小扰动法建立了飞行器刚柔耦合飞行动力学线性化模型,并与航天工程中常用模型进行了对比分析。推导了矩阵形式的动力学方程线性化的一般形式,得到了飞行器纵向动力学模... 详细信息

针对飞行器大攻角与大舵偏角等不满足传统模型假设的飞行特点,采用小扰动法建立了飞行器刚柔耦合飞行动力学线性化模型,并与航天工程中常用模型进行了对比分析。推导了矩阵形式的动力学方程线性化的一般形式,得到了飞行器纵向动力学模型的方程系数。给出的舵面摆动惯性力与力矩的线性化表达式,精确描述了攻角与舵偏角的扰动对摆动惯性力与力矩的影响。通过在大攻角与大舵偏角条件下将该文推导的线性化模型、传统线性化模型与原始的非线性模型的仿真结果进行对比,验证了所提出的模型具有更高的仿真精度。该文指出了传统模型将攻角和操纵机构摆角视为小量可能导致较大误差,为飞行器制导与控制系统设计提供了高精度的线性化模型。

关键词：飞行动力学线性化大攻角大舵偏角高精度小扰动法

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冷喷涂中氧化物影响的物质点法模拟

计算力学学报 2024年第5期41卷 857-863页

作者：陈聪苏浩刘岩清华大学航天航空学院北京100084

冷喷涂利用冲击载荷下材料的塑性变形实现金属间的固态结合,在表面修复、特殊材料制备和增材制造等工程应用方面具有重要意义。原材料表面的氧化物是影响冷喷涂中材料结合效率和粘接强度的重要因素之一。本文采用物质点法研究了颗粒及... 详细信息

冷喷涂利用冲击载荷下材料的塑性变形实现金属间的固态结合,在表面修复、特殊材料制备和增材制造等工程应用方面具有重要意义。原材料表面的氧化物是影响冷喷涂中材料结合效率和粘接强度的重要因素之一。本文采用物质点法研究了颗粒及基底表面氧化物对粘接过程的影响。通过分析界面处氧化物的残留情况,借助定义的颗粒内极端塑性变形区的体积比,给出了不同冲击速度下颗粒和基底氧化物对接触面积和塑性变形程度的影响规律。当氧化物存在时,提高颗粒的冲击速度能够同时增加新鲜的金属表面和塑性变形。

关键词：冷喷涂氧化物物质点法增材制造

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