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低重环境下液体非线性晃动的稳态响应

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贺元军[1,3] 马兴瑞[2] 王本利[1]

[1]哈尔滨工业大学卫星技术研究所,哈尔滨150002 [2]中国航天科技集团,北京100830 [3]四川航天技术研究院研发中心,成都610100

应用数学和力学
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国际标准刊号:ISSN 1000-0887
国内统一刊号:CN 50-1060

摘  要:

在俯仰激励作用下,圆柱贮箱中液体晃动存在平面运动、旋转运动和平面运动中的旋转运动等,而这些运动的稳定、不稳定区间的分界线与贮箱的半径、充液深度、重力强度、表面张力系数和晃动阻尼等基本系统参数有关,据此,首先建立了液体非线性晃动的微分方程组,并借助变分原理建立了液体压力体积分形式的Lagrange函数;然后将速度势函数在自由液面处作波高函数的级数展开,通过变分从而导出自由液面运动学和动力学边界条件非线性方程组;最后用多尺度法求解非线性方程组,就重力强度对圆柱形贮箱中液体非线性晃动的全局稳态响应的影响进行了详细的理论分析,并发现系统软硬特性的变化、跳跃和滞后等非线性现象.[著者文摘]

其晃动特性与航天器的稳定方式和过载、贮箱的几何尺寸和形状、晃动阻尼、防晃隔板及其安装位置等诸多因素有关.对于小幅晃动,线性化理论不仅能从定量上来分析晃动幅值,晃动力和力矩;而且还能定性分析液体的晃动特性;但对于有限幅和大幅非线性晃动问题,一般都是通过数值解或者半解析解来加以定量分析,也有部分作者用近似解析方法对非线性晃动作过定性的研究,因为解析方法对液体晃动各类非线性动力学现象的验证、发现和理解具有其他方法不可取代的作用,而运用解析方法研究非线性晃动的关键是在微分描述或者是变分描述中如何巧妙地、适当地引入非线性项,从而建立起足以反映液体非线性晃动主要矛盾的离散化非线性方程组?1.在常重环境下,很多学者对圆柱形贮箱中液体的非线性晃动作过大量的研究.
Applied Mathematics and Mechanics

分 类 号:

V415.4 O322

文献标识码:

A

文章编号:

1000-0887(2007)10-1135-11

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[参考文献]

Stable Response of the Low-Gravity Liquid Non-Linear Sloshing in a Circle Cylindrical Tank

HE Yuan-jun, MA Xing-rui, WANG Ben-li ( 1. Center of Satellite Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, P. R. China; 2. China Aerospace Science and Technology Corporation, Beifing 100830, P. R. China; 3. R & D, Sichuan Academy of Aerospace Technology, Chengdu 610100,P. R. China)

Abstract:

Under pitch excitation, the sloshing of liquid in circular cylindrical tank includes planar motion, rotary motion and rotary motion inside planar motion. The boundaries between stable motion and unstable motion depend on the radius of the tank, the liquid height, the gravitational intension, the surface tensor and the sloshing damping. The differential equations of nonlinear sloshing are built first. And by variational principle, the Lagrange function of liquid pressure is constructed in volume intergration form. Then the velocity potential function is expanded in series by wave height function at the free surface. The nonlinear equations with kinematics and dynamics free surface boundary condi- tions through variation are derived. At last, these equations are solved by multiple-scales method. The influence of Bond number on the global stable response of nonlinear liquid sloshing in circular cylinder tank is analyzed in detail. Variations of amplitude frequency response characterstics of the system with Bond, jump, lag and other nonlinear phenomena of liquid sloshing are investigated.[著者文摘]

Key words:

circle cylindrical tank; nonlinear sloshing; low-gravity; multiple scales; stable response

收稿日期: 2006-04-04
修订日期: 2007-07-27

基金资助:

国防十五预研资助项目(41320020301)

作者简介:

贺元军(1975-),男,重庆云阳人,博士(联系人.Tel:+86-28-84803317;E-mail:hithyj@163.com).

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