基于流形切空间插值的折叠翼参数化气动弹性建模

变体飞行器的气动弹性力学建模是当前先进飞行器设计的研究热点和难点. 然而传统的气动弹性动力学建模方法对于具有结构参变特性的变体飞行器气动弹性力学研究存在建模效率低、计算复杂等问题. 本研究提出了一种基于流形切空间插值的可折叠式变体机翼参数化气动弹性建模方法. 首先, 该方法建立若干个典型折叠角下的折叠翼结构有限元模型, 通过流形切空间插值方法建立折叠翼参数化结构动力学模型. 其次, 采用偶极子网格法得到参数化非定常气动力模型, 进而建立气动和结构相互耦合的折叠翼参数化气动弹性模型. 为了验证该参数化建模方法在折叠翼气动弹性分析中的准确性, 本文以一小展弦比折叠翼为研究对象, 从折叠翼自由振动时的参变模态特性、颤振边界预测两方面进行了算例验证, 并与直接计算方法进行了对比, 进一步验证了参数化气动弹性模型的有效性. 研究结果表明, 该参数化气动弹性模型对上述两类问题的计算精度与直接计算方法一致, 并且有着计算效率更高的优势.      

基于气动力辨识的ASE模型降阶研究

CFD/CSD耦合计算能够准确预测跨音速段飞行器弹性振动的非定常气动力, 但其带来的巨大 计算量及高阶维数不利于气动弹性系统的分析与综合. 针对于此,采用系统辨识及 均衡截断技术对高阶气动伺服弹性模型进行降阶处理,并利用所得到的低阶模型进行系统综 合：(1) 基于Volterra级数气动力辨识技术,得到非定常气动力的时域降阶模型(ROM), 耦合结构动力学模型及控制机构动力学模型获得气动伺服弹性(ASE)状态空间方 程;(2) 利用均衡截段法对时域ASE模型进行进一步降阶,得到能够较真实反映所关心频域内系统响应 的低阶ASE模型;(3) 针对建模误差和降阶误差存在造成的系统不确定性问题,结合降阶模型 采用混合灵敏度$H_{\infty}$控制方法设计颤振主动抑制鲁棒控制律,保证其作用 于真实系统的有效性;对控制器进行 均衡阶段降阶并保持其鲁棒性,得到低阶鲁棒的颤振抑制控制器. 最后利用典型的BACT模型 进行气动伺服弹性的降阶及主动颤振抑制控制,仿真结果表明,基于ROM建立的低阶气动弹 性模型能够较真实地反应系统的颤振特性;而基于截断后的降阶模型所设计的低阶鲁棒控制 器能够有效应用于存在不确定性摄动的实际系统,并将系统颤振速度提高36%.     

弹性飞行器气动伺服弹性稳定性分析与控制

轻质结构大长细比弹性飞行器开环闭环颤振及控制系统设计是气动伺服弹性稳定性校核与分析的核心问题。本文利用振动模态试验数据修正了弹性飞行器结构有限元模型;使用涡格法进行非定常气动力计算,并利用最小状态法获得了弹性飞行器刚弹耦合频时域状态空间方程。绘制系统状态矩阵特征值随动压变化绘制的根轨迹图对该弹性飞行器开环颤振进行了分析。最后使用线性二次型方法设计了弹性飞行器主动颤振抑制控制律和纵向姿态控制器。仿真结果表明,系统在短的上升时间内实现了对指令的跟随,超调量合理,无静态误差。本文所采用的方法能够满足工程设计需求。     

基于随机森林算法的非定常气动力建模研究

针对现有的非定常气动力建模方法对气动弹性预测的准确性和效率问题,将随机森林算法引入非定常气动力建模研究领域,构建了基于随机森林算法的非定常气动力降阶模型。将所得模型用于预测气动弹性,选择二维NACA0012翼型进行颤振边界的预测,选用NACA64A010翼型预测LCO特性,并说明了该降阶模型建模的详细过程,将其计算结果与CFD/CSD耦合计算结果及试验结果进行了对比。研究结果表明,该模型可行、高效且精确,可以快速准确地预测飞行器气动弹性特性。     

大长细比导弹的气动弹性降阶模型

对于大长细比导弹,需要在设计阶段准确计算气动弹性/气动伺服弹性,但其复杂的气动力给计算带来困难,因此气动力降阶模型是突破大长细比导弹跨音速气动弹性分析与控制瓶颈的关键技术.虽然气动力模型降阶方法已在预测二维机翼结构的气动弹性方面取得重要进展,但几乎未见关于全机模型的气动力降阶模型研究报道.本文基于递归Wiener模型的气动力降阶方法,利用CFD计算的气动力作为模型辨识数据,用鲁棒子空间和Levenberg-Marquardt算法辨识降阶模型参数,建立了大长细比导弹气动力降阶模型.在此基础上与大长细比导弹有限元模型相结合,构造出气动弹性降阶模型,并在数值仿真中测试气动弹性降阶模型在不同马赫数下的适用性.数值仿真结果表明,该气动弹性降阶模型能够精确预测导弹模型在不同飞行条件下的非定常气动力和导弹模型的气动弹性频率响应特性.     

飞机结构气动弹性分析与控制研究

随着主动控制技术的发展,飞机结构设计理念已由提高结构刚度的被动设计转变为随控布局的主动设计.主动设计理念不再刻意回避气动弹性问题,而是采用主动控制技术实时调节结构气动弹性,进而减轻结构重量、优化飞机性能. 在飞机随控布局主动设计中,必须深入分析结构与气流之间的耦合,才能更好发挥气动弹性主动控制技术的作用. 从20 世纪80 年代起,航空科技界对该问题进行了长期研究,对飞机结构-空气动力-主动控制相互耦合后的关键力学问题有了深入理解. 然而,已有研究多基于简化模型,导致研究结果难以直接应用于工程. 本文将针对气动弹性动态问题,综述空气动力非线性、控制面间隙非线性、时滞诱发失稳、颤振主动抑制、突风载荷减缓、风洞实验验证等方面的国内外研究进展,重点介绍近年来作者团队所提出的若干方法及相关算例和风洞实验. 最后,指出今后一个时期值得研究的若干气动弹性分析与控制问题.      

基于非线性状态空间辨识的气动弹性模型降阶

高维、非线性气动弹性系统的模型降阶是当前气动弹性力学与控制领域的研究热点之一.然而国内外现有的非线性模型降阶方法仍存在辨识算法复杂、精度有待提高等问题.本研究提出了一种基于非线性状态空间辨识的跨音速气动弹性模型降阶方法. 首先,该方法基于非定常空气动力的单位脉冲响应数据,采用特征系统实现算法对非线性状态空间模型的线性动力学部分进行系统辨识. 其次,引入状态和控制输入的非线性函数, 采用优化算法对非线性函数的系数矩阵进行优化,进而得到考虑非线性效应的空气动力降阶模型.为了验证该降阶模型在预测跨音速气动弹性力学行为的精确性,本文以三维机翼为研究对象,分别从基于非线性降阶模型的气动力辨识、跨声速颤振边界计算和极限环振荡预测三方面进行了算例验证,并与现有的模型降阶方法进行了对比, 进一步说明本文所提出方法的有效性.研究结果表明, 该降阶模型对上述三类问题的计算精度与直接流-固耦合方法相吻合,可用于高效预测飞行器跨声速气动弹性力学行为.      

基于非线性状态空间辨识的气动弹性模型降阶

高维、非线性气动弹性系统的模型降阶是当前气动弹性力学与控制领域的研究热点之一.然而国内外现有的非线性模型降阶方法仍存在辨识算法复杂、精度有待提高等问题.本研究提出了一种基于非线性状态空间辨识的跨音速气动弹性模型降阶方法.首先,该方法基于非定常空气动力的单位脉冲响应数据,采用特征系统实现算法对非线性状态空间模型的线性动力学部分进行系统辨识.其次,引入状态和控制输入的非线性函数,采用优化算法对非线性函数的系数矩阵进行优化,进而得到考虑非线性效应的空气动力降阶模型.为了验证该降阶模型在预测跨音速气动弹性力学行为的精确性,本文以三维机翼为研究对象,分别从基于非线性降阶模型的气动力辨识、跨声速颤振边界计算和极限环振荡预测三方面进行了算例验证,并与现有的模型降阶方法进行了对比,进一步说明本文所提出方法的有效性.研究结果表明,该降阶模型对上述三类问题的计算精度与直接流-固耦合方法相吻合,可用于高效预测飞行器跨声速气动弹性力学行为.     

飞行器非线性气动弹性和颤振主动控制研究进展

首先，针对发展性能先进的新一代飞行器所涉及到的非线性气动弹性理论与分析技术，结合国内外研究进展情况，着重从建模技术、求解方法、非线性气弹特性分析几个方面进行概括总结。其次，对在飞行器设计中一直颇受关注的、智能材料在飞行器结构颤振及振动主动控制中应用研究现状也给予简要的介绍。最后指出一些尚待进一步研究的问题。     

采用压电材料提高超声速飞行器壁板结构的颤振特性

采用压电材料对结构进行振动主动控制已经进行了广泛研究,论文进一步采用压电材料改进超声速壁板结构的气动弹性颤振特性,研究中考虑压电材料力电耦合效应的影响.采用Hamilton原理和Rayleigh-Ritz方法建立壁板及压电材料整体结构的运动方程,采用超声速活塞理论模拟气动力,利用加速度反馈控制策略对压电材料施加外电压,获得结构的主动质量.求解运动方程的特征值问题获得固有频率,进而确定气动弹性颤振边界,分析了反馈控制增益对超声速飞行器壁板结构主动颤振特性的影响,研究表明,采用压电材料可以提高超声速壁板结构的气动弹性颤振特性.     

Unsteady aerodynamics modeling for flight dynamics application

In view of engineering application, it is practicable to decompose the aerodynamics into three components: the static aerodynamics, the aerodynamic increment due to steady rotations, and the aerodynamic increment due to unsteady separated and vortical flow. The first and the second components can be presented in conventional forms while the third is described using a one-order differential equation and a radial-basis-function (RBF) network. For an aircraft configuration, the mathematical models of 6component aerodynamic coefficients are set up from the wind tunnel test data of pitch, yaw, roll, and coupled yawroll large-amplitude oscillations. The flight dynamics of an aircraft is studied by the bifurcation analysis technique in the case of quasi-steady aerodynamics and unsteady aerodynamics, respectively. The results show that: (1) unsteady aerodynamics has no effect upon the existence of trim points, but affects their stability; (2) unsteady aerodynamics has great effects upon the existence, stability, and amplitudes of periodic solutions; and (3) unsteady aerodynamics changes the stable regions of trim points obviously. Furthermore, the dynamic responses of the aircraft to elevator deflections are inspected It is shown that the unsteady aerodynamics is beneficial to dynamic stability for the present aircraft. Finally, the effects of unsteady aerodynamics on the post-stall maneuverability are analyzed by numerical simulation.     

折叠翼飞行器的动力学建模与稳定控制

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.      

基于气动力降阶模型的跨音速气动弹性稳定性分析

基于离散型输入输出差分模型,运用非定常CFD方法训练信号,然后运用最小二乘方法进行参数辨识,得到降阶的非定常气动力模型,再将该离散差分模型转换为连续时间域内的状态方程。耦合气动状态方程和结构状态方程,得到耦合系统的气动弹性状态方程。求解不同动压下状态矩阵的特征值,根据根轨迹图分析系统的稳定性特性。分析结果与直接耦合CFD/CSD方法结果相吻合,可以计算跨音速非线性气动弹性问题。其计算效率比直接耦合CFD/CSD方法提高1~2个数量级。针对Isogai wing在跨音速出现的S型颤振边界进行了较为细致的分析,阐述了该现象是由于系统诱发颤振的分支随着速度(来流动压)的提高而发生转移所导致的。     

DYNAMIC MODELING AND STABILITY CONTROL OF FOLDING WING AIRCRAFT 1)

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.     

An efficient method for nonlinear aeroelasticy of slender wings

This paper aims the nonlinear aeroelastic analysis of slender wings using a nonlinear structural model coupled with the linear unsteady aerodynamic model. High aspect ratio and flexibility are the specific characteristic of this type of wings. Wing flexibility, coupled with long wingspan can lead to large deflections during normal flight operation of an aircraft; therefore, a wing in vertical/forward-afterward/torsional motion using a third-order form of nonlinear general flexible Euler–Bernoulli beam equations is used for structural modeling. Unsteady linear aerodynamic strip theory based on the Wagner function is used for determination of aerodynamic loading on the wing. Combining these two types of formulation yields nonlinear integro-differentials aeroelastic equations. Using the Galerkin’s method and a mode summation technique, the governing equations will be solved by introducing a numerical method without the need to adding any aerodynamic state space variables and the corresponding equations related to these variables of the problem. The obtained equations are solved to predict the aeroelastic response of the problem. The obtained results for a test case are compared with those of some other works and show a good agreement between results.     

Applications and developments of aeroelasticity of flexible structure in flow controls

柔性结构与空气动力耦合形成的系统呈现出丰富的非定常、非线性流动和结构动力学行为,对其气动弹性效应合理地控制和利用,能够大幅度提高飞机机翼、风力机叶片等结构的气动性能,并使其具有气动自适应能力.本文总结了近年来与气弹效应应用相关的研究进展及存在的问题,具体介绍了薄膜翼型的流动控制特性、柔性壁面减阻技术以及Sinha扰流装置的发展过程、主要成果以及未来发展趋势,着重对相关试验、流固耦合数值分析、Lagrangian拟序结构动力学等理论分析方法进行总结,展示了气弹效应在流动控制方面的巨大潜力和深远的学术意义,以便更多的研究人员开展该领域的研究工作.