贮箱内液体晃动动力学分析及结构防晃技术研究

论文摘要

液体晃动问题广泛存在于航空航天、船舶及路面交通运输等领域。飞机在起飞、着陆与飞行过程中,由于外加激励引发的油箱燃油的晃动会带来不利的影响:一方面,对油箱结构产生循环往复的冲击载荷,造成结构的疲劳破坏;另一方面,燃油重心的变化可能会改变全机的重心分布,影响飞机的稳定性。目前,国内外关于飞机油箱的晃动问题研究主要集中在液体晃动对结构的破坏,并且主要依赖于成本很高的试验。因此开展飞机油箱液体晃动的数值方法研究及油箱结构的防晃设计,具有重要的学术价值和工程指导意义。首先,对带自由液面的贮箱内连续、不可压缩液体的晃动进行了数学描述,建立了拉格朗日描述下的流体动力学N-S方程,阐述了结构边界和自由液面处的流体运动学边界条件及动力学边界条件,给出了贮箱壁动水压力的计算表达式,论述了弹性薄板的基本理论。推导了N-S方程的光滑粒子动力学（SPH）形式,给出了使用SPH方法进行水动力学模拟所需的基本条件以及相关的处理方法,对人工粘性、固壁边界处理及不可压缩流的求解问题等方面进行了探讨。其次,采用SPH方法对国外文献中的两个液体晃动试验进行了数值模拟。计算了棱形液舱在外加正弦转动激励下,5种工况的液体晃动特性,并与试验进行了对比,探讨了贮箱充液比、晃动周期及晃动振幅对贮箱壁压力的影响;计算了有无阻尼板矩形贮箱在加速度平动激励下液体的晃动特性,并与试验以及文献中的CFD数值方法进行了对比。数值计算结果与试验结果吻合较好,并获得了液体大幅晃动下,波浪的翻卷及破碎等强非线性现象。合理准确的SPH数值计算方法为飞机油箱液体的晃动计算奠定了基础。针对A型飞机副油箱及B型飞机机翼油箱,根据飞机油箱晃动试验的要求,对两类油箱进行了5个晃动周期内的数值模拟。得到了晃动过程中的油箱结构应力水平及应力集中部位,其中副油箱应力最大部位与晃振试验中的油箱破坏位置基本吻合,给出了晃动过程中的液体重心变化时间历程曲线,体现了晃动过程中液体晃动轨迹的周期性。油箱结构动强度及液体晃动重心的计算可以用于指导飞机油箱的改型和设计。最后,采用论文第三章的矩形贮箱模型,并设计一类似于副油箱结构的近圆柱形贮箱,基于iSIGHT优化平台,通过拉丁方设计试验方法设计出试验样本点,构造出液体晃动的二次响应面模型,采用序列二次规划优化方法对防晃挡板和隔板的安装位置及尺寸进行优化,在保证液体晃动重心满足约束条件的基础上,防晃板的重量最轻。文中优化算例的实施对于飞机油箱的结构设计、飞机的总体设计及航天器推进剂贮箱防晃设计具有一定的借鉴指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 飞机油箱设计要求
• 1.2.2 液体晃动特性
• 1.2.3 液体晃动问题研究
• 1.2.4 液体与结构耦合问题
• 1.2.5 贮箱结构防晃技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 液体晃动数值计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 带自由液面液体晃动动力学理论
• 2.2.1 连续方程
• 2.2.2 动量方程
• 2.2.3 能量方程
• 2.2.4 流体动力学N-S方程指标法
• 2.2.5 边界条件
• 2.2.6 动水压力的确定
• 2.3 弹性薄板理论
• 2.4 SPH方法理论
• 2.5 N-S方程的SPH方法求解
• 2.5.1 连续方程的粒子近似
• 2.5.2 动量方程的粒子近似
• 2.5.3 能量方程的粒子近似
• 2.6 SPH方法求解流体动力学的关键问题
• 2.6.1 边界条件处理
• 2.6.2 人工粘度
• 2.6.3 光滑长度
• 2.6.4 人工压缩率
• 2.7 本章小结
• 第三章 三维贮箱内液体晃动的SPH数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 正弦转动激励下棱形液舱内的液体晃动
• 3.2.1 数值计算
• 3.2.2 晃动参数对液体晃动特性的影响
• 3.3 平动加速度激励下矩形贮箱内的液体晃动与冲击
• 3.4 本章小结
• 第四章 飞机油箱液体晃动数值分析
• 4.1 引言
• 4.2 A 型飞机副油箱俯仰运动液体晃动计算
• 4.2.1 副油箱液体重心变化
• 4.2.2 副油箱结构应力
• 4.3 B型飞机机翼油箱俯仰运动液体晃动计算
• 4.3.1 机翼油箱液体重心变化
• 4.3.2 机翼油箱结构应力
• 4.4 本章小结
• 第五章 贮箱结构防晃优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 优化策略
• 5.2.1 试验设计
• 5.2.2 多项式响应面近似模型
• 5.2.3 优化方法
• 5.3 贮箱防晃结构优化
• 5.3.1 矩形贮箱防晃结构
• 5.3.2 近圆柱形贮箱防晃结构
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文