柱冠形贮箱液固耦合等效力学模型研究

摘要

航天任务的日趋复杂化要求航天器携带的推进剂量不断增多，贮箱容积亦将不断扩大，贮箱“刚性”假设下的等效力学模型将不能准确反映耦合系统动力学特征。本文将在考虑贮箱弹性和支撑结构弹性的前提下，开展充液柱冠形贮箱及其支撑结构液固耦合动力学问题的研究，提出适用于实际应用的贮箱及其支撑结构液固耦合等效力学模型建模方法。论文的主要研究内容与结论如下：
　　建立了充液贮箱液固耦合系统数值模型，分析了该耦合系统中液体以及充液贮箱的振动频率及振型，得到了液体振动位于低频段、充液贮箱振动位于高频段且两频段相隔较远的结论。
　　基于“梁式”环形单元法，建立了充液状态下柱冠形贮箱“梁式”等效力学模型，求解了充液状态下贮箱振动特性，同时，开展了充液贮箱动特性试验，对比了贮箱“梁式”等效力学模型计算结果与试验测试结果，两者吻合较好。
　　推导了柱冠形贮箱中液体晃动弹簧振子及单摆等效力学模型各参数计算公式，并结合上述贮箱“梁式”模型，最终建立了贮箱液固耦合系统等效力学模型。
　　基于上述液固耦合等效力学模型，开展了航天器组合体瞬态响应分析，通过与三维模型计算结果的对比，证实了本文所提等效模型的精度较高。
　　总之，本文在分析充液系统动特性的基础上，提出了贮箱“梁式”+液体单摆形式的液固耦合等效力学模型，研究成果具有工程实用价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 液固耦合理论建模与分析研究现状

1.3 等效力学模型研究现状

1.4 本文主要工作

第二章 充液贮箱液固耦合动特性分析

2.1 引言

2.2 液体动力学基本方程

2.3 壳体理论基本方程

2.4 势流理论液固耦合控制方程

2.5 充液贮箱液固耦合动特性计算分析

2.6 本章小结

第三章 充液状态下贮箱及其支撑结构“梁式”等效模型

3.1 引言

3.2 研究对象及假设

3.3 “梁式”等效力学模型的建立

3.4 “梁式”等效模型动特性计算结果试验验证

3.5 本章小结

第四章 液体单摆模型参数求解及液固耦合等效模型的建立

4.1 引言

4.2 圆柱形充液贮箱中液体弹簧振子机械模型参数求解

4.3 柱冠形贮箱中液体晃动等效模型参数求解

4.4 液固耦合等效力学模型的建立

4.5 本章小结

第五章 某航天器组合体液固耦合数值仿真分析

5.1 引言

5.2 三维模型建模

5.3 等效模型建模

5.4 液固耦合三维模型与等效模型计算结果对比

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文主要工作及成果

6.2 工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A 薄圆柱体离散控制方程中各矩阵表达式

附录B 柱冠形贮箱椭球部分侧壁的单元刚度矩阵和质量矩阵表达式