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高超声速飞行器中圆柱类贮箱液固耦合动力学研究

作　者: 刘龙霞
导　师: 贾启芬
学　校: 天津大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 高超声速飞行器液固耦合动力学圆柱贮箱
分类号: V214
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

液固耦合问题广泛存在于工程实际中,研究这类问题具有广泛的现实意义;而近空间范畴内的高超声速飞行器也一直是人们研究的热点问题。研究飞行器中液体燃料贮箱内的液固耦合问题可以有效地控制飞行器的稳定性并有利于采取更好的制导措施。本文主要是对高超声速飞行器中的液体燃料贮箱类液固耦合问题进行了研究,由四部分组成。第一部分介绍了高超声速飞行器(高超声速技术)的相关内容,着重对X-43A高超声速飞行器进行了描述,并介绍了液固耦合的相关理论、问题的研究方法及其发展情况。第二部分首先对一般柱形液体贮箱模型进行研究,分析系统的动力学方程及其耦合边界条件,然后依据X-43A高超声速飞行器中具体的液体燃料贮箱外形,将模型贮箱的形状近似为圆柱形,根据动力学方程及耦合的边界条件等建立了Lagrange函数,并根据Lagrange方程建立了非线性耦合系统的动力学方程组。第三部分是对第二部分建立的非线性方程组简化处理,得到两个自由度的耦合系统,在只考虑横向激振力的作用下,对系统内分别为不存在内共振和存在内共振两种情况下的为主共振、非共振、2倍超谐共振和组合共振等情况运用多尺度方法进行了解析分析。第四部分是对第二部分建立的非线性耦合动力学方程组进行了数值求解,画出了各自由度相应的时间历程图、对应的频谱图及其稳态时的相图,并就有关图形与解析解的情况进行了对照。然后对改变阻尼因子进行了数值分析。通过对高超声速飞行器中液体燃料贮箱的建模以及动力学分析,深入地研究了受横向外激励后贮箱及其内部燃料液体的运动情况,通过将得到的解析解和数值解的对比可以确知这两种方法的解的情况是基本吻合的。由解的情况可知,高超声速飞行器中液体燃料贮箱内部的晃动是比较大的,相应地对贮箱及其固联系统(或整个飞行器)的稳定性会造成很大的影响,选择适当的防晃挡板等装置来抑制液体的运动。这对于高超声速飞行器中液固耦合问题的研究具有一定的实际意义。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-19
  1.1 高超声速飞行器概述  8-13
    1.1.1 高超声速飞行器相关概念  8-9
    1.1.2 高超声速飞行器（高超声速技术）国内外发展情况  9-11
    1.1.3 X-43A简介  11-13
  1.2 液固耦合问题概述  13-15
    1.2.1 液固耦合问题的定义和特点  13-14
    1.2.2 液固耦合问题研究的一般方法  14-15
  1.3 高超声速飞行器中的液固耦合  15-17
  1.4 本文的工作及意义  17-19
    1.4.1 本文研究内容的提出  17-18
    1.4.2 本文的具体工作  18-19
第二章动力学模型和方程的建立  19-34
  2.1 动力学模型的选取  19-27
    2.1.1 基本动力学模型及其相关方程  19-23
    2.1.2 圆柱贮箱中液体晃动的模型分析  23-27
  2.2 系统动力学方程的建立  27-33
    2.2.1 贮箱中液体运动的动能  28-29
    2.2.2 贮箱中液体的势能  29
    2.2.3 贮箱及其固联系统的能量  29-30
    2.2.4 耦合系统中的拉格朗日函数  30-33
  2.3 本章小结  33-34
第三章非线性动力学方程组的解析解  34-58
  3.1 多尺度法概述  34-35
  3.2 非线性动力学方程组的解析分析  35-57
    3.2.1 第一种情况，激振力的频率Ω接近于ω_2 时  36-41
    3.2.2 第二种情况，Ω接近于ω_1 时  41-46
    3.2.3 第三种情况，系统发生非共振时  46-51
    3.2.4 第四种情况, 2Ω≈ω_2即发生 2 倍超谐共振时  51-53
    3.2.5 第五种情况，发生组合共振时  53-57
  3.3 本章小结  57-58
第四章非线性动力学微分方程组的数值解  58-76
  4.1 非线性耦合动力学方程组的数值分析方法概述  58-60
    4.1.1 建立数值方法的基本思路与途径  58-59
    4.1.2 Runge-Kutta方法  59
    4.1.3 幅频曲线的计算方法  59-60
  4.2 非线性耦合动力学方程组的数值分析方法  60-61
  4.3 耦合系统中的时间历程图、频谱曲线、相图及其分析  61-71
    4.3.1 第一组算例，外激励频率与液体晃动频率接近时  61-63
    4.3.2 第二组算例，外激励频率与贮箱及其固联系统频率接近时  63-65
    4.3.3 第三组算例，系统发生非共振时  65-67
    4.3.4 第四组算例，系统发生2 倍超谐共振时  67-69
    4.3.5 第五组算例，系统发生组合共振时  69-71
  4.4 改变环形挡板的阻尼因子  71-74
    4.4.1 外激励频率与液体晃动频率接近时  71-73
    4.4.2 系统发生组合共振时  73-74
  4.5 本章小结  74-76
第五章全文总结  76-77
参考文献  77-82
发表论文和科研情况说明  82-83
致谢  83

高超声速飞行器中圆柱类贮箱液固耦合动力学研究

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