基于主动控制策略的机翼颤振特性模拟

航空航天飞行器舵翼类结构的气动颤振是一种灾难性的动力学行为.在基于偶极子理论的气动弹性动力学模型中,气动载荷可表达为基于结构动力学响应的一种状态反馈的闭环控制力,控制律取决于翼型的几何参数、材料参数、结构动力学特性以及来流速度等多种条件,通常需通过实际飞行或风洞实验进行辨识与检验.在实验室条件下,以系统动力学响应的模态特征等效为前提,提出了一种基于人工主动控制的方式进行气动载荷下舵翼类结构自激颤振的特征值跟踪策略.建立并讨论了等效系统的非自伴随动力学微分方程及其特征方程的求解过程,并与通用软件的计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性.通过优化搜索分别获得了位移和速度的最优反馈点、最优作动点位置及最优反馈增益系数,经对比计算拟合得到风速–位移增益曲线和风速–速度增益曲线,从而实现了由单点反馈、单点作动的集中力的闭环控制等效系统的真实气动力分布控制.仿真算例表明,由此预示的实验过程无需辨识和重构非定常气动力的时域波形,无需其他干预即可实现地面模拟实验,主动控制的效果满足预期,初步实现了自激颤振的特征值跟踪,为进一步推动主动控制模拟实验及颤振参数辨识提供了基础.     

主动约束层阻尼对超声速梁结构颤振特性的影响

本文采用主动约束层阻尼技术研究超声速梁的颤振特性,利用Hamilton原理和假设模态方法建立结构的运动方程,采用活塞理论模拟超声速梁的气动压力,采用速度负反馈控制获得主动阻尼,求解本征值问题得到复特征值,进而得到结构的固有频率和损耗因子.计算结构的固有频率随无量纲气动压力的变化曲线,得到颤振点,分析了主动阻尼和被动阻尼对颤振速度的影响.计算结果表明主动阻尼可以影响梁的气动弹性特性,并增大超声速梁的颤振速度.本文研究结果对超声速飞行器结构的颤振分析和气动设计具有重要意义.     

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%.     

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.     

主动控制翼板抑制悬索桥颤振的研究

主动控制翼板是一种新型桥梁气动措施。本文基于非定常气动力理论，推演了安装主动控制翼板后作用在整个桥梁主梁单位长度上气动力表达式，从增加系统扭转阻尼的角度，研究了翼板主动扭转振动参数的选取。在此基础上，对某大跨悬索桥方案进行了二自由度颤振分析，结果表明：合理选取翼板的主动扭转振动参数，主动控制翼板能够有效地提高该桥的颤振稳定性。     

时变系统地面颤振模拟试验方法研究

地面颤振模拟试验是一种颤振验证的全新试验技术,可作为当前颤振验证试验手段的有效补充。飞行器在实际飞行过程中,结构的动力学特性及承受的载荷是不断变化的,对于受气动加热影响的高超声速飞行器,这一时变特性则更加显著。本研究提出了基于代理模型的时变参数非定常气动力模型建模方法,建立了基于PID控制器的时变系统地面颤振试验方法,并通过标准试验件进行测试验证。试验结果表明,本研究提出的非定常气动力建模方法能够准确获得具有时变特性的气动力模型,建立的地面颤振试验方法能够有效应对颤振系统的时变特性获得准确的结构颤振边界数据。     

飞行器非线性气动伺服弹性力学

现代飞行器日益呈现结构轻质化、控制系统宽通带和高权限的发展趋势. 因此, 非定常气动力、柔性结构和主动控制系统三者间的耦合力学成为重要的研究领域. 自20世纪80年代起, 航空界开始关注受控飞行器的气动弹性稳定性以及主动控制问题, 但对气动/结构的非线性效应、控制回路时滞对受控飞行器动力学行为的影响规律研究尚不充分. 研究这些影响规律不仅涉及非线性、高维数、多变参数和时滞效应等难题, 而且必须面对空气动力、飞行器结构、驱动机构、控制系统之间的强耦合问题. 其中的前沿难题是: 发展非线性气动伺服弹性动力学建模理论, 揭示上述因素诱发受控气动弹性振动的动力学机理, 开展气动伺服弹性控制风洞实验. 本文针对非线性气动伺服弹性力学所涉及的非线性非定常气动力建模、非线性结构动力学、气动伺服弹性控制律设计、气动伺服弹性实验, 总结相关研究现状和最新进展, 特别是近年来作者学术团队的研究成果, 并对进一步研究给出若干建议.      

采用分布式压电驱动器升力面的颤振主动抑制

对采用分布式压电驱动器升力面的颤振主动抑制进行了理论与试验研究.应用 LQG最优控制法设计了主动控制律,在控制律降阶时提出了平衡实现与LK法结合使用的新途径,在对不定常气动力进行有理函数拟合时对LS法进行了改进.试验中利用激光测速仪非接触测量模型的速度响应并在地面共振试验中用压电驱动器激振模型.颤振风洞试验结果表明,理论计算合理并与试验结果吻合良好.     

平流层飞艇气动参数辨识

进入21世纪以来，随着科技的飞速发展，世界上掀起了研究和开发平流层平台的热潮。飞艇作为平流层平台可以实现无线通信、空间观测、大气测量以及军事侦查等目的。本文首先将飞艇所受的气动力分成由于来流速度产生的定常气动力和飞艇转动引起的非定常气动力两部分，通过理论分析建立了飞艇的气动力模型，从而得到需要辨识的气动参数。其次建立了以浮心为原点的六自由度非线性动力学模型和一种基于混合遗传算法的气动力系数辨识方法——混合遗传算法（遗传算法＋单纯型法）与极大似然法相结合的方法，并利用该方法对飞艇的气动参数进行辨识。通过仿真结果验证了该方法实用性和有效性。最后通过对气动参数的准确值与辨识值的分析比较，得出各个参数对飞艇运动性能的影响情况。     

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.     

大跨度桥梁多模态耦合颤振的TMD控制

推导了装有TMD的结构在气动自激力作用下的动力微分方程,基于模态空间中多模态耦合颤振分析手段,运用考虑安装TMD的多模态自动分析法对结构-TMD系统进行了颤振分析和TMD控制分析,使多模态自动分析法能适用于TMD颤振控制分析,避免了双参数搜索和迭代计算,提高了计算效率。对某在建三塔悬索桥进行了原结构颤振分析和TMD-结构颤振频域分析,探讨TMD控制参数对颤振临界风速的影响。     

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。     

Active feedback control of a beam subjected to a nonconservative force

This study examines the possibility of controlling through feedback a thin cantilevered beam subjected to a nonconservative follower force. A converging frequency flutter instability which occurs in this model is similar to classical bending-torsion flutter of an aircraft wing. Because of the similar nature of the instabilities, the beam under the follower force can be a useful vehicle for investigating the fundamental aspects of stabilization of wing flutter by feedback control. A modal approach is used for obtaining the mathematical model and control laws. A standard root locus technique for simple analytical models is also used to understand and explain the control of the beam. Experiments are carried out to verify the validity of this theoretical model. Good correlation is shown between theoretically and experimentally determined stability boundaries as well as for modal frequency and damping variation with follower force.     

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从铁饼在空气中飞行所受到的气动力出发,阐述铁饼飞行的轨迹和铁饼 出手时的速度、角度、自转角速度和风作用对成绩的影响. 由于气动力的作用, 45°并非铁饼的最佳投掷角度,实验和理论研究表明：无风时35°/26° 的投掷角/倾角组合最佳;顺风和逆风投掷必须采用不同的投掷角/倾角组合才能获得当地条 件下的最好成绩;铁饼出手时25 r/s的自转速度已经可以满足稳定性的要求.     

Stabilization control of a hovering model insect: lateral motion

Our previous study shows that the lateral disturbance motion of a model drone fly does not have inherent stability (passive stability),because of the existence of an unstable divergence mode.But drone flies are observed to fly stably.Constantly active control must be applied to stabilize the flight.In this study,we investigate the lateral stabilization control of the model drone fly.The method of computational fluid dynamics is used to compute the lateral control derivatives and the techniques of eigenvalue and eigenvector analysis and modal decomposition are used for solving the equations of motion.Controllability analysis shows that although inherently unstable,the lateral disturbance motion is controllable.By feeding back the state variables (i.e.lateral translation velocity,yaw rate,roll rate and roll angle,which can be measured by the sensory system of the insect) to produce anti-symmetrical changes in stroke amplitude and/or in angle of attack between the left and right wings,the motion can be stabilized,explaining why the drone flies can fly stably even if the flight is passively unstable.     

Parametric aeroelastic modeling based on component modal synthesis and stability analysis for horizontally folding wing with hinge joints

To investigate the aeroelastic stability of a folding wing effectively, a parametric aeroelastic analysis approach is proposed. First, the fixed interface component modal synthesis is used to derive the structural dynamic equation for a folding wing, in which the elastic connection is considered. The unsteady aerodynamic model is established by the doublet lattice method (DLM), and the aeroelastic model is achieved from integration of the DLM with the component modal analysis. The generalized aerodynamic influence coefficient matrix is established by modes kept and constraint modes of each component. The aeroelastic stability of a folding wing is investigated based on the Gram matrix in control theory. The effectiveness of the proposed method is verified via comparison with traditional flutter eigenvalue analysis for both extended and folded configurations. The proposed method identifies coupled modes and improves computational efficiency when compared to classical aeroelastic stability analysis methods, such as the p–k method.     

Effects of vertical central stabilizers on nonlinear wind-induced stabilization of a closed-box girder suspension bridge with various aspect ratios

The aerodynamic shape of a closed-box girder plays an important role in the wind-induced stabilization of long-span suspension bridges. The purpose of this study is to investigate the effects of the combination of five aspect ratios and a downward vertical central stabilizer (DVCS) on nonlinear flutter and aerostatic behaviors of a super long-span suspension bridge with closed-box girders. Through conducting a series of wind-tunnel tests and nonlinear finite element analysis, the results show that the nonlinear self-excited forces and the critical wind speed (U_cr) gradually increase as the increase of the aspect ratio (i.e. the width to depth ratios). Furthermore, the application of 20% deck depth DVCS could significantly increase the nonlinear self-excited forces and U_cr for small aspect ratios of 7.9 and 7.1. Particularly, the installation of the DVCS could change the flutter divergence patterns of the bridge from soft flutter to hard flutter, especially for a relatively small aspect ratio. In addition, the aerostatic force coefficients and torsional divergence critical wind speeds of the larger aspect ratio with DVCS are significantly larger than that without DVCS. A relatively small aspect ratio of the bridge has better aerostatic performance than that with a larger aspect ratio.

     

Nonlinear aeroelastic stability analysis of wind turbine blade with bending–bending–twist coupling

In this study, the nonlinear aeroelastic stability of wind turbine blade with bending–bending–twist coupling has been investigated for composite thin-walled structure with pretwist angle. The aerodynamic model used here is the differential dynamic stall nonlinear ONERA model. The nonlinear aeroelastic equations are reduced to ordinary equations by Galerkin method, with the aerodynamic force decomposition by strip theory. The nonlinear resulting equations are solved by a time-marching approach, and are linearized by small perturbation about the equilibrium point. The nonlinear aeroelastic stability characteristics are investigated through eigenvalue analysis, nonlinear time domain response, and linearized time domain response.