文档介绍：工学博士学位论文
航天器贮箱液体非线性晃动
动力学的多维模态分析方法
MULTIDIMENSIONAL MODAL ANALYSIS
METHOD FOR SOLVING LIQUID NONLINEAR
SLOSHING DYNAMICS IN SPACECRAFT TANK
余延生
哈尔滨工业大学
2007 年 9 月
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工学博士学位论文
航天器贮箱液体非线性晃动
动力学的多维模态分析方法
博士研究生: 余延生
导师: 王本利教授
申请学位: 工学博士
学科、专业: 飞行器设计
所在单位: 卫星技术研究所
答辩日期: 2007 年 9 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
MULTIDIMENSIONAL MODAL ANALYSIS
METHOD FOR SOLVING LIQUID NONLINEAR
SLOSHING DYNAMICS IN SPACECRAFT TANK
Candidate: Yu Yansheng
Supervisor: Prof. Wang Benli
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Specialty: Design of Spacecraft
Affiliation: Research Center of Satellite Technology
Date of Defense: Sep., 2007
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
晃动是指贮箱中液体自由液面的运动,它是由于对部分充液贮箱施加扰
动而引起的。运动或静止贮箱中的液体晃动问题在航空航天、民用、海洋工
程、水陆运输等领域都受到极大的关注。本文将多维模态理论应用到求解航
天领域中的圆柱贮箱液体非线性晃动问题中,在得到一般形式的模态系统之
后,系统地研究了液体非线性自由晃动、液体横向受迫共振晃动的瞬态响应
和稳态响应,分析了高阶模态的影响,并且推导出一个适合于工程应用的计
算液体晃动力的公式,主要研究工作分为如下四部分:
第一部分通过压力积分变分原理和模态展开的方法将描述液体非线性晃
动的自由边界值问题转化为了无穷维模态系统。所得到的模态系统具有一般
形式,适合于贮箱作任意三维运动。相对于原始的复杂非线性边界值问题,
求解此模态系统要简单得多,同时其物理意义清晰,将为求解各种类型液体
非线性晃动问题奠定基础。
第二部分研究了圆柱贮箱内液体的非线性自由晃动问题。在无穷维模态
系统基础之上,推导出描述液体非线性自由晃动的有限维模态系统,最后利
用 Runge-Kutta 方法对此模态系统进行数值积分,揭示出液体作自由晃动时
的各种非线性现象,从而验证公式推导的正确性和将多维模态理论应用到圆
柱贮箱液体非线性晃动问题中的正确性和有效性。
第三部分由第 4、5、6 章组成,是本文工作的重点。这部分针对贮箱作
水平横向运动,首先推导出描述液体非线性共振晃动的有限维模态系统,然
后系统地研究了液体的瞬态响应和稳态响应,并分析了被忽略的高阶模态的
影响。
第 4 章通过直接对模态系统进行数值积分,定性地揭示出一些重要的非
线性现象,如“拍”现象、节径移动、非平面运动等,并证明了次模态在液
体运动描述中的不可忽略性。
第 5 章则是对模态系统进行更深入的稳定性分析,首先求出主模态函数
的稳态周期解,然后应用 Floquet-Lyapunov 方法研究它们的稳定性和稳定区
间,从而定量地揭示出液体横向受迫共振晃动的不同晃动波形式—稳定“平
面”波、稳定“旋转”波和不稳定“混沌”波,并得出一些有意义的结论。
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最后将理论分析结果与实验结果进行了对比,发现两者有很好的吻合,从而
验证了稳态响应分析的正确性。
第 6 章分析了次模态对稳态响应的影响和由