基于ROM技术的阵风响应分析方法

阵风响应分析是大型飞机设计过程中必不可少的环节. 现有的阵风响应分析主要采用基于线化升力面理论的气动力模型,不能考虑到各种非线性效应,不适合于跨音速气动弹性的分析. 基于CFD技术,采用系统辨识方法,在状态空间内建立了降阶的非定常气动力模型(reduced order model, ROM). 耦合结构运动方程、非定常气动力模型(结构运动)、外激阵风的气动力模型,建立了基于CFD技术的阵风响应分析模型.算例研究了某一典型机翼在方波激励下的阵风响应问题,对比了各阶模态位移的响应以及翼根弯矩的响应. 基于ROM技术的计算结果与CFD/CSD直接耦合仿真结果吻合,证明了该方法的正确性和精度.      

柔性机翼颤振的次最优控制

柔性机翼颤振的主动控制中,控制器的阶数一般较高,并且空气动力状态是不可测的.本文采用基于部分状态反馈的次最优控制方法对柔性机翼的颤振主动控制进行了研究,并与基于全状态反馈的最优控制方法进行了对比.首先,建立了带有控制面的柔性机翼的气动伺服弹性状态方程,并设计了全状态反馈最优控制律;然后,使用控制性能指标关于反馈增益的二阶灵敏度确定系统各个状态的重要程度,选择出用于控制反馈的重要状态,并根据所选择的重要状态设计了次最优反馈控制律;最后,通过数值仿真将基于部分状态反馈的次最优控制律与基于全状态反馈的最优控制律的控制效果进行了对比.仿真结果显示,二阶灵敏度能够有效地显示出各个状态的重要程度,次最优控制律能够取得与最优控制律基本相同的控制效果.本文所设计的次最优控制律中不含空气动力状态,且控制器阶数低,更具工程意义.     

机翼/外挂颤振主动抑制的控制律研究

本文介绍了对机翼/外挂系统的颤振抑制控制律的研究。并用三种控制律的结果进行了风洞实验验证。结果表明:控制律的设计是成功的,理论计算与实验结果吻合良好。 文中重点介绍了两种控制律,它们都是以现代控制理论为基础。首先,把最优控制理论与颤振分析的状态空间法相结合,得到状态反馈。然后导出不同的输出反馈。文中,还讨论了该系统的阵风减缓和稳定裕度。 为对比起见,还给出了在同一模型上,用气动能量概念方法导出的控制律。由此,可看出它们在颤振抑制效益上的差异。     

先进翼尖装置流体动力特性数值模拟与分析研究

对民用客机上使用较多的两种翼尖装置(融合式翼梢小翼和翼尖涡扩散器)进行了对比分析与研究。在基本机翼参数相同的基础上，利用 ICEM 软件对基本机翼及分别加装两种不同翼尖装置的机翼生成点对点对接的高质量多块结构化计算网格，采用 Roe 三阶迎风偏置通量差分裂方法和隐式近似因子分解法求解耦合 SA 湍流模型的雷诺平均 Navier-Stokes 方程。通过计算得知：在巡航状态下分别加装融合式小翼和翼尖涡扩散器后，两种机翼的升阻比分别提高了10.945%和4.993%，俯仰力矩系数分别增加了9.410%和5.116%，翼根弯矩系数分别增加了7.380%和1.013%。分析结果表明：相比于翼尖涡扩散器，融合式翼梢小翼能更显著地提高机翼的升阻比，但同时也较为明显地增加了机翼的俯仰力矩和翼根弯矩，从而导致飞机配平阻力和翼根结构重量的增加。     

基于传递函数法的大展弦比机翼阵风响应分析

将传递函数法应用于大展弦比机翼的阵风响应分析。首先,基于二元机翼的运动方程和准定常片条理论建立机翼的阵风响应微分方程,对其进行Laplace变换,并转换为状态空间方程形式。然后,运用传递函数方法,获得机翼响应在频域的解析解,通过Laplace数值逆变换求得机翼在时域内的响应。通过与已有文献结果对比,验证了本文方法的正确性。最后,采用该方法求解了"1-cos"型阵风和连续大气湍流作用下的机翼响应,并对结果进行了分析讨论。     

ANALYSIS OF THE HIGH-ASPECT-RATIO WING GUST RESPONSE BY TRANSFER FUNCTION METHOD1)

将传递函数法应用于大展弦比机翼的阵风响应分析。首先,基于二元机翼的运动方程和准定常片条理论建立机翼的阵风响应微分方程,对其进行Laplace变换,并转换为状态空间方程形式。然后,运用传递函数方法,获得机翼响应在频域的解析解,通过Laplace数值逆变换求得机翼在时域内的响应。通过与已有文献结果对比,验证了本文方法的正确性。最后,采用该方法求解了“1-cos”型阵风和连续大气湍流作用下的机翼响应,并对结果进行了分析讨论。     

弹性机翼阵风响应数值计算方法

建立了求解弹性机翼阵风响应的计算方法.在计算中,通过采用数值方法求解三维非定常Euler方程来获得气动特性;采用模态叠加的方法考虑弹性影响,实现了流体力学和弹性力学的耦合计算.通过对刚性机翼在攻角突然增大的阵风作用下的响应历程计算和二维NLR7301翼型的极限环振荡计算,对计算方法进行了验证.此后在"1-cos"阵风响应的计算中考虑弹性效应影响,先是只考虑了结构变形的前三个基本模态,弹性机翼气动力响应的计算结果与刚性机翼的响应计算结果有比较大的区别,弹性机翼阵风响应的升力峰值低于刚性机翼,这与文献中的结果是一致的.最后在计算中考虑了高阶弹性模态,计算结果表明:考虑高阶模态后,机翼气动力计算结果的总体变化趋势与只考虑前三个模态时基本一致,但结果中出现了高频的波动,波动的频率与高阶模态本身的频率有关.     

轮带系统横向振动的行波消去法

考虑作动器中张紧轮质量的影响,研究轴向运动弦线和作动器所组成的耦合系统的横向振动控制。此系统被作动器分成受控和未控两部分,在频域内利用Green函数法求解出系统的响应,采用行波消去法设计出控制律。在初始条件和激励作用下,利用Durbin拉氏变换数值反演法将受控系统的振动响应转化到时域内,并利用Matlab进行数值仿真。算例结果表明:在脉冲激励和正弦激励作用下,系统振动在3秒内分别减小到0和未受控制时的1/5,验证了控制律的有效性。     

基于复模态的控制力矩陀螺配置优化

由于陀螺耦合效应,系统动力学方程的特征值和特征向量皆为复数形式,不便于进行控制力矩陀螺的配置优化和控制律设计。本文基于复模态理论,构造出一种实数域上的伪模态矩阵,从而实现方程解耦。综合考虑结构模态、控制输入能量和传感器接收能量的复合优化准则,获得了控制力矩陀螺的最优配置。结果表明,采用线性二次型最优控制,能够快速将结构的响应振幅降至5%以内,验证了使用伪模态矩阵进行方程解耦的可行性及控制的有效性。     

考虑流固耦合效应的某飞行器力学性能分析

考虑流固耦合效应,研究了飞行器在服役状态下的力学特性。本文采用了一种基于CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Structure Dynamics)耦合的高精度通用静气弹求解器,该求解器可以同时分析飞行器结构的表面气动性能和结构的力学性能,对某一翼身组合体模型进行了静气弹分析,得出弹性飞行器和刚性飞行器的气动压力变化以及结构的应力分布。建模时流体和结构模型都使用翼身组合模型,且都考虑机身的影响。结果表明:发生静气弹变形后,飞行器的升力系数、阻力系数、力矩系数都相应下降;机翼翼根附近会产生较大的应力分布;当飞行器尤其是机翼表面受到弯矩、扭矩以及气动压力的共同作用时,翼根附近会出现复杂的应力分布状态。这说明在静气弹性分析中,机身的建模也是很有必要的。     

典型连接结构螺栓的附加弯矩形成机理与承载能力研究及结构优化设计

针对典型连接结构中, 高强螺栓在受拉工况下因产生附加弯矩而极大削弱其承载能力的问题, 开展了螺栓附加弯矩产生的机理研究, 并提出了一种有效降低螺栓附加弯矩的结构优化设计方法. 首先, 建立典型连接结构的等效力学模型, 推导出螺栓附加弯矩的解析解, 进一步开展数值仿真分析, 验证了解析方法的正确性. 考虑螺栓同时承受拉弯耦合载荷工况, 引入梁塑性弯曲理论, 研究了不同拉弯组合下的螺栓截面各类应力分布的交互关系, 并给出了考虑轴力影响的弯矩塑性折减系数. 基于最大应力破坏准则, 开展了考虑附加弯矩和弯曲塑性影响的螺栓载荷失效判据研究, 该判据更加具有工程应用价值. 从机理出发, 开展典型连接结构优化设计以降低螺栓的附加弯矩进而提高其承载能力, 进一步采用解析方法, 阐述了铰支球头的工作机理. 采用数值仿真方法, 开展了螺栓附加弯矩灵敏度分析, 验证了优化设计方法的有效性. 进一步开展试验研究, 获得不同连接状态下螺栓的附加弯矩, 验证了优化设计方法的正确性和可行性. 该方法能够极大降低高强螺栓的附加弯矩, 最大程度发挥螺栓的承载能力, 提高连接结构的可靠性.      

MODEL ESTABLISHMENT AND LOAD TRANSFER OF SEMI ARTICULATED FLEXIBLE DRILLING TOOL1)

半铰接柔性钻具的载荷传递规律直接影响超短半径水平井钻进的成功率。为此,首先推导出半铰接柔性钻杆的单元刚度方程并揭示了半铰接柔性钻杆的弯矩传递规律;然后,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,验证了半铰接柔性钻杆有限元模型的正确性;最后,建立造斜段半铰接柔性钻具力学模型,对不同井眼曲率半径下半铰接柔性钻具的载荷传递规律进行研究。结果表明：井深位置相同时,井底扭矩值随曲率半径的增加而增大;半铰接柔性钻杆未锁死时,柔性钻杆不传递弯矩且井底扭矩波动较大,相关研究成果为柔性钻具的设计提供理论依据。     

风速不确定性对风力机气动力影响量化研究

风力机气动力学一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是基于确定性工况条件, 但因风力机常年工作在自然来流复杂环境,风速随机波动致使风电系统呈现不确定性, 对电网稳定性带来巨大挑战,因此进行不确定风速条件下风力机气动力学研究具有重要意义.为揭示不确定性对风力机流场影响机理并明确其对气动力的影响程度,本文提出一种风力机不确定空气动力学分析方法,基于修正叶素动量理论和非嵌入式概率配置点法,建立水平轴风力机不确定性空气动力学响应模型; 以NREL Phase VI S809风力机叶轮为研究对象, 基于该模型提取风力机输出随机响应信息,量化不确定风速对风力机风轮功率、推力、叶片挥舞弯矩和摆振弯矩的影响程度;通过分析流动诱导因子不确定性在叶片展长方向上的分布规律,揭示不确定因素在风力机本体上的传播机制,为风电系统设计及应用提供理论依据和重要参考. 结果表明,风速波动对风力机功率和气动力影响显著,高斯风速标准差由0.05倍增大至0.15倍均值,功率和推力最大波动幅度分别由13.44%和8.00%增大至35.11%和22.02%,叶片挥舞弯矩和摆振弯矩最大波动幅度分别由7.20%和12.84%增大至19.90%和33.49%.来流风速不确定性导致叶片根部位置气流明显波动,可以考虑在该部分采取流动控制措施降低叶片对风速不确定性的敏感程度.      

单框架控制力矩陀螺输出特性分析

广泛用于航天领域的单框架控制力矩陀螺, 具有力矩放大效应的优点,其理论基础为有假设条件的力矩放大原理. 本文不局限于这些假设, 不限定工况,解析单框架控制力矩陀螺的输出特性. 考虑安装基座的运动,得到具有两维输入三维输出的单框架控制力矩陀螺力矩输出模型,提出将输出力矩分解为可调控与不可调控两部分. 为分析单框架控制力矩陀螺的输出特性,定义两个参数, 分别为输出输入力矩比和输出力矩利用率. 研究发现,单框架控制力矩陀螺不恒有力矩放大效应, 也不恒有高效的力矩利用率,两者与其状态密切相关. 最后,以含两个单框架控制力矩陀螺的航天器姿态机动任务为例,对非对角奇异鲁棒操纵控制和优化控制进行仿真,检验了单框架控制力矩陀螺输出特性对控制效果的影响. 同时,根据单框架控制力矩陀螺的三维输出特性, 借助一个单框架控制力矩陀螺的优化控制,实现了航天器的三轴姿态机动. 仿真结果显示, 在优化控制过程中,单框架控制力矩陀螺始终具有力矩放大效应和高效的力矩利用率.      

CFD结合降阶模型预测阵风响应

传统的阵风响应主要在频域内进行分析,气动载荷基于线性方法计算,不能考虑黏性和跨声速流动影响. 飞机设计需考虑不同频率和不同形状阵风的响应,基于CFD的阵风响应预测由于计算工况太多,工作量巨大. 本文发展了一种CFD结合非定常气动力ARMA(autoregressive-moving-averagemodel)降阶模型的阵风响应分析方法,CFD只要针对给定频率和形状的一种阵风响应进行计算,对获得的气动力时间历程运用线性最小二乘法参数辨识ARMA降阶模型的系数,则对任意频率和形状的阵风,代入降阶模型即可确定该阵风的响应,大大提高了计算效率. 为效验发展的方法,先计算NACA0012翼型在低马赫数0.11的阵风响应,通过对比CFD、ARMA降阶模型及早期发展的不可压阵风响应预测方法的结果,验证了方法的有效性. 再对比CFD、ARMA在跨声速马赫数0.8的阵风响应预测结果,证实所发展的方法对跨声速阵风响应预测亦是有效的.      

固定结构下的两向力及弯矩传感器设计

为了刀板切削过程中的受力满足最合理的设计准则,专用传感器设计须基于固定总体结构,对局部结构优化,以达到设计合理的目的。刀板切削时受到土体的阻力可分解为水平力和垂直力,多维力传感器测量了两个力的大小和对传感器产生的弯矩。刀板工作中,弯矩引起的正应力比垂直力引起的拉应力及水平力引起的切应力要大得多,因此特别设计了弹性体的局部结构使得三个应力值接近于同一量级。传感器的标定结果显示,输入输出有良好的线性关系,并且很好地消除了耦合效果。最终,将该传感器应用于土体切削测试并验证了其可靠性。