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.     

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.      

框架结构主动控制最优时滞研究

在结构振动主动控制中,时滞的大小对结构控制能量和响应均产生影响。在允许时滞的范围内,把结构控制能量和响应作为目标函数,数值仿真发现目标函数随着时滞的变化呈现曲线状态,这说明存在最优时滞。在目标函数处理方面,考虑到控制能量和响应数量级不一致,本文采用了无量纲化处理。同时,考虑到地震波的随机性,本文还推导了含控制力的改进的随机Newmark方法。最后给出了一个计算实例。实例表明本文所提出的方法是有效的。     

空间结构耦合模态控制及实验研究

智能结构以主动元件为传感器和驱动器,根据结构的动态响应和控制要求,自适应地改变结构的动态性能,实现结构特性的自调节功能,以增强结构适应于外界环境变化的能力.结构振动主动控制方法中常用的模态空间控制方法,就是将系统方程转化到模态坐标下,从而得到内部解耦的以模态坐标表示的方程组,然后根据一定的控制方法,计算出模态控制力,实现实时控制.该方法计算简单,效率高,能满足实时控制的需要.本文根据一个三层智能结构主动控制实验,介绍了耦合模态控制理论及实现方法,设计并阐述了压电主元杆件的工作原理,根据Riccati方程得到了主元杆件的最优布置.通过对实验数据运用五点滑动平均平滑法进行处理分析及频谱分析可以看到,智能结构通过主动控制,对相应的控制模态位移及加速度有很大的抑制作用,对应的模态阻尼系数得到了不同程度的提高.     

考虑两相流内弹道的自行火炮发射动力学计算

为了更加准确地计算火炮弹丸的起始扰动,将两相流内弹道应用于发射动力学研究。建立了完整的自行火炮系统发射动力学方程组,包括火炮系统的体动力学方程组、弹丸在膛内运动的动力学方程以及两相流内弹道方程。编制了计算程序,实现了对某自行火炮发射过程的数值模拟,在准确计算内弹道过程的同时,获得了火炮的动力响应、弹丸膛内运动和起始扰动。部分模拟结果与实验实测结果吻合较好。计算表明,采用两相流内弹道模型将提高发射动力学计算精度。     

Halo轨道的ASRE非线性留位控制方法

针对Halo轨道的留位控制问题,提出一种跟踪名义参考轨道的非线性最优跟踪控制策略.首先得到日-地系统第二平动点附近的有控制力作用下的轨道动力学方程,其次利用微分修正法得到要跟踪的名义参考轨道,然后将ASRE非线性最优跟踪控制方法与精细积分法相结合,针对Halo轨道的留位设计非线性控制器,最后利用数值算例验证了本文方法的...     

基于多体系统传递矩阵法的多管火箭定向器振动控制

应用多体系统传递矩阵法,建立了全新的多管火箭发射动力学控制模型,以二次型性能指标为成本函数, 设计了脉冲推力器为控制执行机构的振动主动控制律,并设计了多管火箭发射系统在燃气流冲击下定向器的振动主动控制系统,获得了最优脉冲控制力幅值和脉冲推力器工作次数. 应用设计的控制律数值仿真了某多管火箭定向器无控和受控状态下的振动响应,仿真结果表明该法可有效地降低定向器的振动.该方法易于工程实现,对控制多管火箭发射系统的振动、提高多管火箭射击的精度具有重要意义.      

扰动风作用下微型旋翼流场的数值模拟及流动控制研究

对于处在低雷诺数下的微型旋翼,扰动风对其流场影响很大。本文基于动态嵌套网格技术的双时间法,采用网格速度法模拟扰动风,研究了不同频率和幅值的正弦式扰动风下三维微型旋翼上的拉力系数响应情况,并采用变形网格方法模拟了旋翼桨叶的周期性边距运动对扰动风的流动控制,为今后旋翼机的主动控制研究提供了线索。研究结果表明,低雷诺数下,旋翼在周期性扰动风作用下的拉力响应曲线拟合函数与扰动风函数形式相同,响应曲线函数同样具有周期性变化趋势,波动幅值与扰动风幅值成正比例关系;对不同飞行状态下的旋翼,采用周期等角变距方式,能够找到一个适合的控制参数使得旋翼在正弦式扰动风环境下旋翼的拉力波动在一定范围内得到有效抑制。     

回滞非线性结构的瞬态最优控制

本文对一种国滞非线性基础隔振的主从结构模型用瞬态最优控制法进行振动控制研究。利用四阶Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ积分格式统一处理最优控制方程，可直接逐步积分求出系统在瞬态最优控制下的最优控制力与系统响应。分别对主从结构无主动控制及有主动控制时的两种情况（包含或不包含ｖｂ反馈）进行计算。结果表明瞬态最优控制可有效地抑制振动。     

机械臂臂杆刚度主动控制下的末端振动特性研究

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.      

ACTIVE VIBRATION CONTROL OF FINITE L-SHAPED BEAM WITH TRAVELLING WAVE APPROACH

In this paper, the disturbance propagation and active vibration control of a finite L-shaped beam axe studied. The dynamic response of the structure is obtained by the travelling wave approach. The active vibration suppression of the finite L-shaped beam is performed based on the structural vibration power flow. In the numerical calculation, the influences of the near field effect of the error sensor and the small error of the control forces on the control results are all considered. The simulation results indicate that the structural vibration response in the medium and high frequency regions can be effectively computed by the travelling wave method. The effect of the active control by controlling the power flow is much better than that by controlling the acceleration in some cases. And the control results by the power flow method are slightly affected by the locations of the error sensor and the small error of the control forces.     

基于无单元法的平面框架地震反应分析

无单元法在动力计算领域中的应用目前多以梁、板等简单构件的自振特性分析为主,对建筑结构的动力计算,尤其是地震反应分析尚未涉及.文中推导了无单元法的离散动力方程,以轴力杆、欧拉梁模型为基础,将简单构件的无单元动力计算推进到实际结构的地震反应分析,并给出了数值实现的基本流程.最后以一个十一层钢筋混凝土高层结构为算例,实现了多层多跨平面框架的无单元地震反应分析,达到了预期的效果,验证了无单元法应用于平面框架地震反应分析的可行性和有效性.     

Data-based hybrid reduced order modeling for vortex-induced nonlinear fluid–structure interaction at low Reynolds numbers

Fluid–structure interaction (FSI) phenomena are of significant importance in several engineering fields. Recently developed active flow control devices regulate the FSI in order to control the dynamic response of the structure that is involved. As a first step to use active control, computationally efficient reduced-order models are required. The reduced-order models must be able to predict the nonlinear structural dynamic response given an incoming flow condition. This paper presents a computationally efficient method for the construction of a hybrid reduced-order model for FSI problems based on data obtained through high-fidelity numerical simulations. The model splits the force and the structural dynamic response into two separate blocks and uses model reduction techniques to account for the flow field information. The current model is tested on a vibrating rigid cylinder submerged in a flow at low Reynolds number regime.     

样条配点法分析结构动力响应的无条件稳定计算格式

本文以三次B样条函数作为位移时域函数,应用配点法,在任一时间步长中列出两个时刻的结构物运动方程式残值为零的条件并使结果满足了稳定条件得到一个计算结构物动力响应无条件稳定的计算格式。 这个计算格式于参数θ符合0.15<θ<0.05时是绝对无条件稳定的,研究证明,本文所提出的格式的精度根据三项指标:振幅衰减率 AD,周期伸长率 PE 及算法阻尼比都比较Wilson-θ法,Newmark法及Houbolt法的为优,例题计算也证明此点,即本文方法精度较上述三法为高,本文格式简单,准确,工作量不多,可以作为计算结构动力响应有效方法之一。     

一种三阶有限体积法及其在欠膨胀射流激波结构数值模拟中的应用

以喷管出口欠膨胀射流为研究对象,在Lagrange坐标系下建立欠膨胀射流二维积分形式的流动方程。通过在单元交接面处进行三阶ENO(essentially nonoscillatory)格式插值,构造得到一种适用于求解该方程的三阶ENO有限体积法。采用该格式对一维Sod激波管算例和喷管出口欠膨胀射流进行数值计算。计算结果表明,该方法具有高精度、基本无振荡的特点,能很好地捕捉包含激波、滑移线以及三波交点等复杂流场波系结构。计算得到的波系结构中马赫盘的位置与实验结果吻合很好,相对误差小于1.1%。     

KdV方程孤立子及其相互作用的Petrov-Galerkin有限元数值模拟

本文给出一种Petrov-Galerkin有限元方法,并用以求Kdv方程各种初值问题的数值解,包括孤立波进波解,多个孤立于的相互作用,孤立子与振荡尾波等,所得结果与分析解及其它数值结果作了比较,表明本方法精度高、稳定性好,几乎没有高频伪振荡,计算程序简洁、明瞭,经济实用。     

用回传波射矩阵法分析框架的地震效应

结构在地震载荷作用下的瞬态响应分析对抗震设计很重要. 大部分地震效应 研究采用时程积分等数值方法. 回传波射矩阵法是桁架和框架结构瞬态响应的一种新的频域 矩阵分析法. 基于Bernulli梁理论的回传波射矩阵法扩展到地面加速度载荷的情形, 对一榀钢制框架在地面El Centro波加速度作用下的瞬态应力计算, 结果表明该方法 能准确有效地进行结构的地震效应分析.     

Wave based active vibration control of a membrane antenna structure

This paper studies the wave based active vibration control of a membrane antenna structure. The membrane antenna structure studied in this paper has a great prospect in aerospace engineering. First, the dynamic model of the membrane antenna structure is established based on the finite element method. Then, based on the hypothesis of modal excitation mechanism, a wave-based controller is designed using the wave attenuation method. This method does not depend on the wave transfer function of the structure, so it can be applied to structures with complex shapes and boundaries. At last, the validity of the presented controller is verified through numerical simulations. Simulation results indicate that the dynamic behavior of the membrane antenna structure shows obvious wave characteristics; the presented controller can suppress the vibration of the structure effectively through holding back the formation of standing waves, and better control effect can be obtained when the actuators are placed near to the excitation point.     

区间参数结构的动力响应优化

讨论区间参数结构的动态响应问题的区间优化方法．利用摄动理论和函数区间扩张,将区间优化问题转化为近似的确定性优化问题．由于区间设汁变量的中值和不确定性半径均可取作优化参数,昕以可得到比确定性优化更多的优化信息．将该方法应j用于桁架结构,算例表明该方法是有效的．     

DYNAMIC OPTIMIZATION FOR UNCERTAIN STRUCTURES USING INTERVAL METHOD

An interval optimization method for the dynamic response of structures with interval parameters is presented. The matrices of structures with interval parameters are given. Combining the interval extension with the perturbation, the method for interval dynamic response analysis is derived. The interval optimization problem is transformed into a corresponding deterministic one. Because the mean values and the uncertainties of the interval parameters can be elected design variables, more information of the optimization results can be obtained by the present method than that obtained by the deterministic one. The present method is implemented for a truss structure. The numerical results show that the method is effective.