航天发射场数值分析技术研究与应用

《航天发射场数值分析技术研究与应用》是国内第1本全面系统介绍航天发射场数值分析技术研究与应用的专著。全书从基本原理、应用方法、典型案例三个方面介绍了结构动力学、计算流体力学、多刚体系统动力学在航天发射场非标机械设备、加注设备、空调设备等专业的典型应用和取得的效果。全书共分为6章，第1章是总论，描述了航天发射场设施设备的组成、特点和未来发展趋势，介绍了数值仿真技术的理论以及在发射场中的应用体系；第2、3章分别介绍了结构动力学的基本原理和有限元分析方法，进而以发射场电缆摆杆结构优化设计与评估以及回转平台结构动力特性评估与优化为背景，重点进行了结构动力学方法和有限元分析方法在发射场典型案例中的应用分析；第4、5章分别介绍了流体与传热的基本原理和CFD分析基本方法，进而以发射场推进剂升降温系统能力评估与优化以及低温推进剂加注过程中的间歇泉效应分析为背景，重点进行了CFD分析方法在发射场典型案例中的应用分析；第6章介绍了多刚体系统动力学的基本原理，重点分析了多刚体动力学方法在发射场脱落电连接器动力学分析中的应用。

第1章 总论
1.1 航天发射场设施设备组成
1.2 航天发射场设施设备特点
1.3 航天发射场未来发展趋势
1.3.1 航天发射场现状
1.3.2 航天发射场发展趋势
1.4 数值仿真技术理论与发展趋势
1.4.1 数值分析技术的基础理论
1.4.2 国内外研究现状及发展趋势
1.5 航天发射场数值仿真技术体系
1.5.1 总体思路
1.5.2 体系组成
第2章 结构分析基本原理
2.1 基本概念和原理
2.1.1 一些基本概念
2.1.2 应力的表示
2.1.3 应变的表示
2.1.4 广义胡克定律
2.1.5 强度理论
2.1.6 弹性问题的能量表示
2.2 线弹性静力分析模型
2.2.1 基本模型方程
2.2.2 常用简化模型
2.2.3 基本定理和原理
2.3 模型方程的求解方法
2.3.1 直接法
2.3.2 试函数法
2.3.3 虚功原理与小势能原理
2.4 结构动力学基本原理
2.4.1 结构动力问题的特点
2.4.2 结构动力问题的分类
2.4.3 结构系统的动力自由度及其离散
2.4.4 振动能量耗散与阻尼力
2.4.5 建立运动方程的方法综述
2.5 多体系统结构动力学基础
2.5.1 基本概念与原理
2.5.2 动力学方程
第3章 结构有限元分析基本方法
3.1 有限元分析原理
3.1.1 二杆结构计算方法
3.1.2 有限元分析基本思路
3.1.3 单元性质与特征处理
3.1.4 单元载荷与边界处理
3.2 结构有限元分析中的常见问题
3.2.1 计算模型的选择
3.2.2 几何模型的简化
3.2.3 离散方式与单元选择
3.2.4 边界条件与连接条件
3.2.5 收敛性、误差估计与改善精度的方法
3.3 其他类型的结构有限元分析
3.3.1 材料非线性问题
3.3.2 几何非线性问题
3.3.3 接触非线性问题
3.3.4 结构稳定性问题
3.3.5 结构动力学分析
3.4 有限元商业软件
3.4.1 软件基本构成与操作
3.4.2 常用有限元商业软件简介
3.5 电缆摆杆结构优化设计与评估
3.5.1 电缆摆杆组成结构和负载
3.5.2 有限元建模
3.5.3 仿真分析
3.5.4 试验对比与分析
3.6 回转平台结构动力特性评估与优化
3.6.1 回转平台结构模型
3.6.2 结构动力特性建模
3.6.3 结构有限元建模
3.6.4 结构动力特性评估
第4章 流体与传热的基本原理
4.1 流体力学基础知识
4.1.1 基本概念
4.1.2 流体流动的分类
4.1.3 气体动力学基础
4.2 传热学基础知识
4.2.1 基本传热方式
4.2.2 传热学基本方程
4.2.3 传热过程与传热系数
4.3 流体控制方程
4.3.1 基本控制方程
4.3.2 控制方程的不同表示
4.3.3 方程类型与定解条件
4.3.4 雷诺平均方程
4.3.5 湍流模型
第5章 流体与传热数值计算
5.1 流体与传热数值计算方法
5.1.1 模型方程的离散与计算
5.1.2 流动与传热数值计算方法概述
5.1.3 基于通用控制方程的离散过程
5.1.4 基于矢量方程的离散过程
5.1.5 求解方法
5.2 流体与传热计算中的常见问题
5.2.1 计算网格
5.2.2 边界类型与参数设置
5.2.3 边界上的湍流参数
5.2.4 收敛条件
5.2.5 改善收敛性和计算精度的其他方法
5.3 CFD商业软件
5.3.1 CFD软件通用流程与基本组成
5.3.2 常用CFD商业软件介绍
5.4 基于CFD的脐带塔温度保障能力评估
5.4.1 脐带塔封闭环境传热的数学模型
5.4.2 基于CFD的仿真建模
5.4.3 小结
5.5 基于CFD的推进剂升降温系统能力评估与优化
5.5.1 调温的数学物理模型
5.5.2 基于CFD的调温过程仿真分析
5.5.3 结论及展望
5.6 低温推进剂加注过程中的间歇泉效应分析
5.6.1 数学物理模型
5.6.2 基于CFD的间歇泉效应仿真
第6章 多刚体系统动力学
6.1 多体系统动力学概述
6.1.1 多体系统动力学研究现状
6.1.2 多体系统模型要素与拓扑描述
6.1.3 多体系统动力学计算方法
6.2 多刚体系统动力学
6.2.1 刚体的运动描述
6.2.2 运动学与动力学模型
6.2.3 动力学方程的数值方法
6.3 刚柔耦合动力学模型
6.3.1 柔性体的运动描述
6.3.2 刚柔耦合动力学方程
6，4 多体系统传递矩阵法
6.4.1 经典传递矩阵方法
6.4.2 多刚体系统离散时间传递矩阵法
6.5 多体系统动力学商业软件
6.5.1 动力学分析商业软件ADAMS简介
6.5.2 ADAMS软件基本构成与操作
6.6 脱落电连接器的多体系统动力学分析
6.6.1 对接锁紧及分离过程的分析建模
6.6.2 脱落电连接器的三维建模
6.6.3 基于ADAMS的运动过程仿真分析
参考文献                                                               

1.4.2 国内外研究现状及发展趋势
数值分析技术在一些发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业到人机工程学、生物力学以及工程咨询等很多方面。如火星探测器。探路号。的设计，波音777飞机的设计，福特汽车新车型的开发设计等。在工程咨询方面，可以利用数值分析技术再现事故过程，以提供诉讼证据，或帮助制造商分析售后赔偿问题，或为用户的产品设计预试验，曾有过一家公司利用车辆事故仿真结果进行辩护的案例，该仿真结果获得了法庭的采纳。
目前，市场上已有多种成熟的数值分析技术的软件，大都是国外机械动力学公司所开发。较有影响的有美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）的ADAMS，CADSI的DADS，德国航天局的SIMPACK，其他还有Working Model、Flow3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Pam—Crash等。
1.4.2.1 主要研究方法
数值分析技术是国际上20世纪90年代随着计算机技术的发展，在CAX技术基础上发展起来的新型技术。国外对数值分析的概念、理论研究已经相当深入，技术开发也日趋成熟。针对数值分析建立面向不同的模型和机型、不同领域（SCW）真，成为数值分析当前研究的热点。由于计算机支持协同工作环境（CSCW）能力的提高和仿真方法论的进步，使得仿真技术和环境可以具有协作能力。协同仿真是一种处于不同地点、基于不同计算机的仿真人员采用不同建模方法建立混合。20世纪90年代后西方各国相继取得了很多应用成果。1992年，数值分析技术次成功应用于波音777飞机的设计以后得到迅速发展。1997年，美国能源部和国防部又提出了下一代虚拟样机NGVP技术的体系结构。美国通用动力电船公司在新型攻击潜艇项目中应用虚拟样机技术，节约了超过25%的制造费用。目前，支持多学科数值分析协同仿真的产品、研究型项目，或多或少在服务互操作、时间管理、接口语义互操作等各层面都有相关研究，但都存在一些缺陷，还没有形成相应的标准和规范，自动化程度不高。