高超声速下翼面的热颤振工程分析

针对高超声速下翼面的结构、气动和热的耦合动力学问题,提出了热颤振分析的分层求解思路.首先分析结构在热环境下的固有动力特性,然后应用van Dyke活塞理论计算高超声速非定常气动力,最后采用p-k法进行颤振求解.对某高超声速全动舵面和小展弦比根部固支翼面进行了热颤振的分析与比较.计算结果表明,受热后结构的动力学特性和颤振特性均可能发生变化,尤其对于小展弦比根部固支翼面,由于热效应对其扭转刚度影响很大,从而导致弯扭耦合型式的颤振临界速度大幅度下降.     

电动伺服舵系统动力学建模及颤振分析

舵机动力学对舵系统颤振有最直接影响,其动力学模型的准确建立是颤振分析的关键。以某电动伺服舵系统为对象,分别建立了电机、减速器及控制回路模型。基于其地面振动试验（GVT）数据特征,考虑了减速器中零部件间隙及滚珠丝杠间接触刚度2类非线性因素。动力学仿真结果复现了试验现象,证明了接触刚度和间隙对该伺服舵系统动力学特征的主导作用。在颤振分析中,对比了接触刚度和常数刚度2种假设下,舵机在不同阶跃角指令下的舵偏角响应。发现常数刚度下舵系统仅存在极限环（LCO）和失稳2个域,临界速度不会随间隙大小而变化;而接触刚度下存在稳定、LCO和失稳3个域,且相同风速下,其临界指令角较常数刚度假设更高,但其临界速度却会随间隙增大而减小,甚至小于常数刚度假设,应引起足够重视。      

考虑舵机动力学的舵系统颤振特性分析

飞行器舵面的颤振特性与舵机动态特性有很大关系.提出了2种考虑舵机复刚度颤振分析的工程分析方法,第1种方法思想是对舵面和舵机的耦合系统(下文称舵系统)模型在各种来流速度下进行状态矩阵的稳定性判断,称为时域方法;第2种方法是将舵机复刚度特性包含在频域颤振方程中,使用改进的V-g法求解该方程得到舵系统颤振特性,称为频域方法.通过对舵系统模型算例的数值计算验证了方法的可行性;发现传统的按扭转频率进行舵机刚度等效的舵面颤振工程计算方法的结果相对于该方法有较大差别.说明当舵机动力学特性较差时,在舵面颤振分析中考虑舵机复刚度特性是很有必要的.     

考虑结构刚度不确定性的概率颤振分析

针对舵面颤振系统中存在的不确定性问题,考虑参数的随机分布,利用蒙特卡罗模拟（MCS,Monte Carlo Simulation）和非浸入式随机多项式（NIPC,Non-Intrusive Polynomials Chaos）两种方法进行概率颤振分析,以对结构稳定性和颤振风险进行评估.选取一个存在非线性因素的典型三维舵面作为研究对象,考虑舵机弯曲刚度和扭转刚度两个不确定性变量均满足高斯分布,基于MCS和NIPC两种方法开展不确定性定量分析工作.MCS方法选取大量的样本进行颤振计算,而随机多项式方法利用配点法建立代理模型,以此获得大量的颤振信息,进而得到舵面系统发生颤振的危险速度区域及给定速度下系统发生颤振的概率,并对两种方法的置信水平、计算精度和计算效率进行了比较分析.结果表明,以不确定性量化为基础的概率颤振分析方法能充分利用不确定参数的概率信息对结构系统的颤振风险做出评定.      

水平弯曲刚度对大展弦比机翼颤振的影响

高空长航时飞机普遍采用小后掠角大展弦比机翼,飞行时机翼具有较大变形．几何非线性加剧机翼结构水平弯曲与扭转的刚度耦合,水平弯曲模态在颤振分析中的作用已不可忽略,对机翼气动弹性特性影响显著．将结构在给定来流攻角的静平衡位置附近线化,以求解结构的固有振动特性,并应用考虑翼面变形的片条理论计算非定常气动力,用 p-k 法计算颤振速度．以金属梁式机翼为对象的颤振计算结果表明,水平一弯模态参与耦合的机翼颤振速度低于线性颤振速度．增大水平弯曲刚度有助于这类颤振速度的提高,而扭转频率的影响也要加以考虑．     

电动舵机模块化建模及动刚度仿真

颤振是一种危险的气动弹性失稳形式，舵机动刚度对舵系统的颤振特性具有不可忽视的影响，因此舵机的精确建模与仿真分析十分有必要。针对此问题，提出了一种电动舵机模块化建模方法及动刚度计算机模拟方法。以“直流电机-减速齿轮-滚珠丝杠-拨叉副”典型结构的电动伺服舵机为对象，将其分解为具备核心功能的子模块，充分考虑了实际结构中可能出现的主要非线性因素，再根据子模块之间的连接关系来搭建整体的舵机模型。基于该舵机模型，提出了利用步进正弦扫频信号激励、最小二乘法数据处理得到动刚度的计算方法，并以某舵机为算例，开展了舵机主要线性参数及非线性因素对舵机动刚度影响的研究。电动舵机模块化建模方法通用性好，便于不同舵机的拓展。电机转子阻尼、减速器的传动比以及输出轴处的阻尼对舵机的动刚度影响很大，间隙、接触刚度和摩擦这3类非线性因素对舵机的动刚度特性也具有重要的影响。      

带有燃气舵的导弹舵面颤振分析方法

传统的颤振分析方法以及商业软件不能分析带有燃气舵的导弹舵面颤振.为此,提出了一个解决带有燃气舵的导弹舵面颤振分析方法.采用动态子结构方法建立带有燃气舵的导弹舵面颤振状态空间运动方程和分析方法,结构质量矩阵和刚度矩阵分成对应于广义坐标的块矩阵;可以考虑不同来流气动效应和翼-体组合对气流的影响,用非定常气动力有理函数拟合法建立时域非定常气动力求解模型.算例数值结果表明:燃气舵舵轴与空气舵舵轴刚度之间的不利耦合会让空气舵颤振速度降低.上述分析方法和计算结果为导弹设计提供参考.     

间隙非线性气动弹性颤振控制

研究了亚音速不可压来流中二元机翼气动弹性颤振主动控制问题.采用Theodorsen准定常气动力建立俯仰方向含有间隙非线性的气动弹性动态方程,然后基于状态依赖Riccati方程推导了非线性颤振控制律.假设只有俯仰角位移和控制面偏转位移可以直接测量,状态空间中的其它变量通过所设计的状态观测器进行了估计.仿真结果显示,观测器可以快速准确地对非直接测量变量进行估计,系统状态变量与控制变量都能够迅速地收敛于零点,表明所设计的控制律可以有效地实现对间隙非线性二元机翼颤振的抑制.      

弹性大惯量电动舵系统颤振抑制

针对某型无人机弹性大惯量电动舵系统的颤振影响因素，分析了传动刚度、间隙、惯量、阻尼对系统的影响。首先，通过对颤振现象产生的机理分析，定位了颤振产生的原因。其次，通过仿真模拟，分析了双惯量系统的颤振影响因素。最后，通过现场试验验证，认为通过合理增加舵机阻尼与修改控制算法，可以改善连接机构弹性振动、负载大惯量等因素带来的影响。在控制算法中采用输入整形器，有效地抑制了特定方波指令下的舵面颤振。通过试验验证，改进后的舵机抑制了弹性大惯量带来的颤振问题，消除了舵面的残留颤振。     

二元机翼颤振的指令滤波反推自适应约束控制

为有效抑制二元机翼颤振现象,设计了一个指令滤波反推自适应约束控制器。考虑二元机翼气动弹性系统存在多项式结构非线性特性以及系统不确定的情况,针对二元机翼控制面偏转角度限制以及系统外部阵风扰动等问题,将前/后缘双控制面布局的二元机翼动态方程以状态空间形式描述,采用反推控制技术进行控制律整体设计,通过指令滤波环节对虚拟/实际控制信号进行幅值限制,并将滤波前后的信号差引入到自适应约束控制律设计过程中。仿真结果表明,在一定来流速度下,开环系统出现极限环颤振现象,闭环控制系统能快速达到稳定状态,二元机翼颤振现象得到有效抑制。     

含间隙非线性机翼跨声速颤振时滞反馈控制

颤振主动控制会引入时滞，对气动弹性系统闭环稳定性具有显著影响。针对当前考虑时滞的机翼颤振主动控制多集中在亚、超声速域，采用线性气动力分析的研究现状，结合现代飞机大都以跨声速巡航、控制面偏转为作动器进行主动控制的应用特点，发展了考虑结构间隙非线性，基于气动力降阶模型的跨声速颤振时滞反馈主动控制方法。首先，以白噪声为激励信号，辨识得到跨声速下非定常气动力降阶模型，与间隙非线性结构模型耦合，构建被控对象状态空间模型；然后，通过一种含积分项的状态变换将输入信号存在时滞的被控系统转化为无时滞的系统；最后，采用最优控制理论设计最优时滞反馈控制。仿真结果表明:对于含时滞的系统，若施加不考虑时滞影响的控制方法，则无法抑制颤振，所提控制方法的有效性不受时滞大小的影响，可有效抑制颤振的发生。      

基于描述函数法的滚动通道自持振荡研究

针对舵系统间隙非线性带来的自持振荡影响飞控系统控制品质的问题,从飞行控制系统层面出发,建立了基于描述函数法的滚动通道数学模型,分别从飞行控制系统的快速性、阻尼特性、飞行器固有阻尼3个方面进行了对比分析。结果表明,增大飞行器固有阻尼能够有效降低,甚至可以消除舵系统间隙非线性带来的自持振荡现象。     

充气式机翼的颤振特性分析

充气式机翼的结构刚度由内充气压决定,其颤振特性需要建立静、动力学耦合的分析方法.机翼结构刚度和固有振动特性需要在静力分析基础上计算,进一步计算非定常气动力,从而采用传统的颤振计算方法分析其颤振特性.针对某一充气式机翼采用膜单元建立了有限元模型.在不同内充压条件下,对充气机翼进行了静力分析得到其结构刚度;然后对机翼进行模态计算和颤振分析.研究表明:各阶模态的频率随内充气压的升高而升高;除典型的弯扭模态外,充气机翼的弦向弯曲模态频率较低;充气机翼的颤振形式除常规的弯扭模态耦合外,弦向弯曲模态同样会发生颤振;机翼的临界颤振速度随内充压的变化近似呈分段线性变化;临界颤振模态及耦合分支在一定气压范围内保持不变.      

变时滞间隙非线性机翼颤振主动控制方法

针对当前考虑时滞的机翼颤振主动控制研究多集中在只考虑某一通道存在固定时滞的问题，为解决控制回路前向和反馈通道都可能存在不确定时滞的情况，提出了具有时滞补偿功能的控制方法，实现对双向通道不确定时滞的颤振控制。在控制系统回路传输的数据中附加“时间戳”标志。在反馈通道，考虑系统状态不完全可测，设计时滞补偿状态预估器；在前向通道，提出了基于状态反馈的时滞补偿预测控制器。分析了使用所提时滞补偿策略构成的闭环控制系统的稳定性。以含间隙非线性的翼型为被控对象，对其发生颤振时前向通道和反馈通道存在不确定时滞的颤振控制进行了研究。讨论了不同通道的时滞大小对颤振控制效果的影响。仿真结果表明:所提时滞补偿控制方法能有效抑制颤振，提高系统的稳定性；在控制性能影响上，基于状态反馈的控制方法，其控制效果受反馈通道时滞的影响更大。      

二维功能梯度壁板热颤振本征问题的精确解

为了得到二维功能梯度壁板热颤振的精确解并揭示颤振机理，根据经典薄板理论及一阶活塞理论，建立了超声速气流下二维功能梯度壁板的本征控制微分方程并求得了精确解，根据得到的本征根对颤振机理进行了分析。针对功能梯度材料（FGM）的不同体积分数，分别研究了壁板在恒温场及非线性温度场下的颤振边界随马赫数的变化规律，并比较了2种温度场下的结果。通过分析简支、固支及其组合边界情况下的壁板颤振特性，从数学角度发现颤振现象的发生是由于挠度的一阶导数导致刚度非对称，且功能梯度材料能够有效提高热环境下壁板的颤振边界，同时利用ABAQUS软件对功能梯度壁板的振动特性进行了模拟，进一步验证了所提方法的有效性。      

车身薄壁梁结构轻量化设计的理论研究

薄壁梁是车身骨架结构的基本承载单元.为研究车身轻量化对其刚度的影响,首先推导了两端固支梁的静态弯曲和扭转刚度表达式.为获取最佳截面的轻型结构,分别研究了薄壁梁的截面尺寸和壁厚等几何参数对其刚度/质量比的影响.分析了用轻质材料替代传统钢材对其刚度和结构尺寸的影响.对开环与闭环截面梁的刚度/质量比进行了比较.分别找出了能显著影响上述薄壁梁的弯曲和扭转刚度的几何和材料参数.提出了获得高刚度车身典型薄壁梁的轻量化设计原则.     

摩擦力作用下电液伺服系统非线性动力学行为

以电液伺服系统为研究对象,重点探究了非线性摩擦力对系统动态特征的影响规律.根据非线性动力学原理,建立了电液伺服系统的非线性动力学模型.通过理论研究,指出非线性摩擦力作用可以用Van Der Pol方程描述.通过数值试验分析,揭示了系统内在的分岔现象及典型非线性动力学行为.用非线性动力学研究方法对实测的电液伺服系统的动态数据进行了深入分析,揭示了摩擦力引起的“极限环型振荡”现象.发现摩擦力的非线性作用会引起电液伺服系统在工作过程中发生非线性振动,其对系统动态特征的影响不容忽视,在系统建模与动态特性研究时应该将摩擦力的非线性作用考虑在内.      

含非线性特性的卫星压紧释放机构动力学研究

针对卫星新型压紧释放机构的局部非线性特性，建立局部非线性结构模型，通过模拟加载得到局部非线性结构的力-位移曲线，根据实际结构的工作情况定义结构等效刚度载荷和位移限制的选取原则，并求解结构等效刚度取值区间，最后针对天线动力学特性开展区间不确定性分析。分析结果与试验结果能够很好地吻合，天线基频误差在10%以内，满足工程应用需求，说明该分析方法的有效性。提出的局部非线性结构等效刚度区间分析方法可为卫星天线新型压紧释放机构非线性动力学分析提供解决途径，也可为其他局部非线性结构动力学分析提供参考。     

超高速飞行器平尾大迎角气动弹性特性研究

临近空间超高速飞行器在飞行过程中受到外部干扰作用时会出现大迎角飞行姿态，此时需大角度偏转全动平尾进行配平，带来平尾大迎角下的气动弹性问题。采用计算流体力学/计算固体力学/计算热力学（CFD/CSD/CTD）耦合方法分析了一种超高速飞行器全动平尾的气动弹性特性，重点研究了大迎角下平尾的气动响应及结构变形特点。结果表明:各迎角时的气动力曲线均出现波动，随时间变化逐渐衰减至平衡位置。迎角越大，初始振幅越大，气动力系数减小的比例越大，但随时间衰减得越快。平尾存在弯曲/扭转耦合现象，结构变形导致表面压力分布发生变化，使得整体压力减小、升力系数降低，迎角越大现象越明显。平尾最大应力在迎角30°时达1.2 GPa，已达到所用镍合金材料的屈服强度极限。应在结构设计时在翼轴与平尾接触部位附近加强，或在控制方案设计时限制全动平尾的工作角度。结构发生轴向与法向变形，轴向变形主要由气动热引起，法向变形由气动力和气动热共同引起。      

抑制俯仰Ⅱ型PIO的四种滤波器性能比较

FWB、DS、DASA、RLF作为4种成熟、有效的非线性滤波器均用于解决以作动器速率饱和为特征的Ⅱ型驾驶员诱发振荡(PIO)相位滞后的问题,从而抑制PIO发生.借助描述函数理论,对各滤波器中非线性环节线性化处理,得到4种滤波器拟线性传递函数和相频特性曲线,研究、比较各滤波器在不同参数、不同输入条件下开环相位补偿能力.针对俯仰PIO问题,选取本机动态特性较差、易发生PIO的纵向飞机模型,构建带速率限制作动器的人机闭环系统,通过3个典型的俯仰飞行仿真任务,从抑制作动器速率饱和能力、俯仰响应特性、相位补偿能力、减轻驾驶员操作负担4个方面全面比较各滤波器性能.实验表明:DASA滤波在抑制PIO、改善飞机俯仰响应特性方面相对较优.实验结果为滤波器设计、俯仰PIO抑制的相关研究提供有益参考.