空间折叠薄膜管充气展开过程气固耦合问题研究

论文摘要

空间充气展开结构具有折叠体积小、重量轻和展开可靠性高等优点,因此在航天领域具有广阔的发展前景,也是近期国内外研究的热点之一。本文研究的空间折叠薄膜管是空间充气展开结构的基本构件,针对空间折叠薄膜管在充气展开过程中的动力学问题,综述了近20年来国际上的进展情况,包括充气展开模型、有限元模拟以及充气展开实验研究等。但由于空间折叠薄膜管充气展开过程存在复杂的气固耦合问题,目前国内外在这一方向的研究尚不成熟。针对空间折叠薄膜管充气展开过程中存在非定常、可压缩的理想气体与柔性薄膜管之间的非线性气固耦合问题,本文引入任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述方法,对可压缩理想流体的连续性方程和运动方程进行描述,构建了空间折叠薄膜管充气展开过程的气固耦合系统动力学模型,采用算子分裂方法并结合显式中心差分算法,解决了空间折叠薄膜管在充气展开过程中的大位移、小应变耦合界面的气固耦合问题。以V形折叠薄膜管为研究对象,分析了折叠薄膜管在充气展开过程中的速度场和压力场变化,讨论了充气速率和折叠角度对压力迟滞的影响。与分段充气控制体积模型计算的压力结果进行了比较,结果表明,分段充气控制体积模型误差较大,选用气固耦合模型更适合于研究薄膜管的充气展开动力学特性。针对空间微重力环境,建立了折叠薄膜管的充气展开实验系统,采用气垫导轨,解决了地面重力对充气展开过程产生摩擦力的影响;采用非接触式的光电测量方式,有效地避免了接触式传感器对充气展开过程的干扰。针对V形折叠薄膜管,研究了不同的充气流量、薄膜管尺寸效应以及展开端有无有效载荷对充气展开动力学特性的影响;通过实验研究,选择充气流量、管子直径和载荷质量为主定参量,对充气展开过程进行量纲分析和实验误差分析。实验结果验证了用ALE有限元方法对空间折叠薄膜管充气展开过程气固耦合问题的数值模拟是有效的,这可为预报空间充气展开结构的展开动力学特性提供一定的依据。针对粘扣控制下卷曲折叠薄膜管的充气展开过程,引入粘扣产生的阻力矩,采用刚体的平面运动理论,研究了有无粘扣控制下折叠薄膜管的充气展开动力学特性。然后考虑了薄膜管在卷曲折叠时的褶皱,采用ALE显式有限元方法对粘扣控制的折叠薄膜管进行气固耦合分析,研究了折叠薄膜管内的压力在充气展开过程中的变化,以及卷轴在充气展开过程中的展开速度和横向振动。对卷曲折叠薄膜管在粘扣控制下的充气展开过程进行了实验研究,结果表明,ALE有限元方法对粘扣控制的折叠薄膜管进行气固耦合分析是有效的,展开端部具有一定有效载荷的卷曲折叠薄膜管要可靠有序地展开,利用粘扣控制的方式是可行性的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景以及研究的目的和意义
• 1.1.1 研究的目的
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外的研究现状及分析
• 1.2.1 充气展开模型研究
• 1.2.2 有限元模拟
• 1.2.3 实验研究
• 1.3 存在的不足及有待进一步研究的问题
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 非线性气固耦合问题描述
• 2.1 引言
• 2.2 流固耦合力学
• 2.3 薄膜管内气体运动的基本假定
• 2.3.1 理想流体
• 2.3.2 可压缩性流体
• 2.3.3 非定常流动
• 2.3.4 三维流动
• 2.3.5 无旋流动
• 2.3.6 绝热流动
• 2.3.7 压力流动
• 2.4 非线性气固耦合问题的描述方法
• 2.4.1 ALE 方法产生的背景与发展
• 2.4.2 ALE 描述法下的质点运动与网格运动
• 2.4.3 ALE 描述法下的物质导数与对流速度
• 2.4.4 ALE 描述与拉格朗日和欧拉描述的关系
• 2.5 ALE 描述的理想流体基本方程
• 2.5.1 连续性方程
• 2.5.2 运动方程
• 2.5.3 状态方程
• 2.6 微分方程等效积分弱形式
• 2.7 本章小结
• 第3章 薄膜管充气展开过程气固耦合数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 非线性气固耦合系统有限元分析
• 3.2.1 气固耦合系统的动力学模型和基本方程
• 3.2.2 气固耦合系统的边界条件和初始条件
• 3.2.3 用弱形式建立气固耦合有限元方程
• 3.3 气固耦合系统的求解
• 3.3.1 算子分裂方法
• 3.3.2 ALE 显式算法求解步骤
• 3.4 薄膜管气固耦合过程的ALE 有限元模拟
• 3.4.1 有限元模型
• 3.4.2 网格运动
• 3.4.3 计算的稳定性
• 3.4.4 计算的精度
• 3.5 结果与分析
• 3.5.1 薄膜管充气展开过程的数值模拟
• 3.5.2 薄膜管充气展开过程的速度场分析
• 3.5.3 薄膜管充气展开过程的压力场分析
• 3.5.4 折叠角度对两端压力变化的影响
• 3.5.5 充气速率对展开动力学特性的影响
• 3.6 与分段充气控制体积法的比较
• 3.6.1 分段充气控制体积法
• 3.6.2 腔内的压力和体积的变化
• 3.7 本章小结
• 第4章 空间折叠薄膜管充气展开实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 充气展开实验方案
• 4.2.1 消除摩擦力的气垫导轨实验原理
• 4.2.2 实验主要仪器和试件
• 4.2.3 充气展开实验系统与方案
• 4.3 充气展开实验过程描述
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 薄膜管充气展开构形分析
• 4.4.2 充气流量对展开速度和加速度的影响
• 4.4.3 有效载荷对充气展开过程的影响
• 4.4.4 薄膜管的尺寸效应对展开过程的影响
• 4.5 量纲分析
• 4.5.1 π定理
• 4.5.2 π定理在薄膜管充气展开过程中的应用
• 4.6 实验误差分析
• 4.6.1 实验数据的分散性分析
• 4.6.2 误差的来源
• 4.7 本章小结
• 第5章 卷曲折叠管充气展开控制过程研究及应用
• 5.1 引言
• 5.2 刚体平面运动模型分析
• 5.3 数值模拟分析
• 5.3.1 气固耦合有限元模型
• 5.3.2 有限元模拟结果与分析
• 5.3.3 与分段充气控制体积法的比较
• 5.4 充气展开实验验证
• 5.5 卷曲折叠管充气展开控制应用
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历