[发明专利]一种确定储箱内液体晃动作用力的仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种确定液体晃动所产生作用力的仿真方法，可以应用于航天器化学推进剂贮箱内大幅液体晃动的动力学分析，从而确定储箱内化学推进剂晃动时产生的作用力和力矩。

背景技术

目前，对于航天器化学推进剂贮箱内的液体晃动问题，主要的分析方法有基于计算流体动力学(CFD)的数值仿真方法，以及工程上常采用的单摆或弹簧-振子等效力学模型方法两种。

CFD方法一般采用有限元或有限差分等数值分析方法，通过求解流体运动的Navier-Stokes方程来计算液体晃动作用力。该方法计算精度较高，但计算量很大，灵活性不足，特别是难以用于贮箱内液体晃动与航天器姿态的耦合分析，不便于进行航天器的控制系统仿真分析。

单摆或弹簧-振子等效力学模型是工程常用的简化分析模型，即用一单摆或弹簧-振子系统来代替储箱内的液体，常用于航天器控制系统的仿真分析。但由于该模型是基于小幅非线性晃动的假设建立的，因此不适用于大幅非线性晃动计算分析。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于质心点及质心约束面的等效力学模型来确定储箱内液体晃动所产生作用力的方法，便于进行非线性大幅液体晃动时的仿真分析。

本发明的技术解决方案是：一种确定储箱内液体晃动作用力的仿真方法，储箱内液体晃动所产生的沿储箱o_ty_t轴的作用力F_y采用公式F_y＝F_τ cos β+F_ne_n，j计算获得，储箱内液体晃动所产生的沿储箱o_tz_t轴的作用力F_z采用公式F_z＝F_τ sin β+F_ne_n，k计算获得，储箱内液体晃动所产生的沿绕储箱o_tx_t轴的以逆时针方向为正的晃动力矩M_x采用公式M_x＝(F_τ sin β+F_ne_n，k)Y-(F_τ cos β+F_ne_n，j)Z计算获得；其中o_tx_ty_tz_t为储箱本体坐标系，原点o_t位于储箱的几何中心，z_t轴为储箱的对称轴，正向指向储箱的顶端点，y_t轴为储箱水平轴，x_t轴与y_t轴及z_t轴构成右手坐标系；β为质心点处的质心面切向单位矢量e_τ与o_ty_t轴所成的夹角，e_n，j和e_n，k分别为质心点处的质心面法向单位矢量e_n沿o_ty_t轴和o_tz_t轴的分量，Y和Z为质心点在储箱本体坐标系下的坐标值，F_τ＝μ|V_t|，m_f为液体的质量，α为有效质量系数，V_t为质心点相对质心面运动速度的大小，ρ为曲面半径，A_a为质心面在惯性坐标系下的加速度矢量，μ为摩擦系数。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法在集中质量近似思想的基础上，结合航天器储箱内液体晃动运动的特点，通过质心点与质心约束面之间的相互作用来确定液体晃动的作用力。本发明对液体晃动的幅度不作限制，与现有的基于单摆或弹簧-振子的等效力学模型相比，适用范围更广。特别是对于航天器在星球上着陆，在轨交会对接，以及在轨快速机动这类工况激起的液体晃动问题非常适用。

附图说明

图1为本发明方法的计算分析原理图；

图2为液体沿储箱壁运动时的作用力分布示意图；

图3为本发明实施例中的仿真结果对比图。

具体实施方式

本发明方法的主要思想是：将储箱内的液体等效为质量集中在质心处的质点(质心点)，质心点只能在质心约束面上运动，通过求解质心点与质心面之间的相互作用来计算液体晃动时对储箱的作用力和力矩。