刚体姿态仿真方法研究

首先论述了姿态描述的四种方法:欧拉角、欧拉轴旋转参数、方向余弦和四元数法,重点介绍了四元数法在飞行器运动学上的应用,它消除了欧拉方程的奇异性,计算效率也远远优于其他三种方法;最后讨论了数值仿真的方法及误差。     

克服欧拉方程奇异性的双欧法

论述一种解算飞机姿态角的新方法，它利用正、反欧拉方和是精华区倒挂关系进行分区接替运算，充分发挥二者的长处，把精华区扩展到全域，消除了奇异区，比其他方法具有解算准确，使用简便的显著优点，飞行仿真实践表明它根除了奇异性，是的全姿态方程，其原理对其他工程和物理领域都有广泛推广应用价值。     

解决欧拉方程奇异性的方法探讨

提出了一种解决欧拉方程奇异性的工程算法,从飞行器运动方程入手,推导出具体计算公式,并进行了数值计算验证。该方法无论是理论分析还是工程计算都证明是可行的,没有发现原理缺陷和方法误差,不会产生奇异性,在飞行器仿真、模拟和姿态控制中具有普遍的应用和参考价值。     

四元数在欧拉方程中的应用研究

无论是定步长还是变步长，龙格－库塔法在求解四元数下的欧拉方程时都会有一定的误差，对此作了深入的研究。结果表明，定步长时有很大的累积误差，单位四元数的“单位”性不能得到满足，而变步长有明显的改观，对一般的飞行模拟状态，都能得到较好的模拟结果，可以有实际中使用。     

四元数在飞行数值仿真中的应用

为了在飞行器运动的计算和仿真试验中避免出现奇异情况及减少三角函数计算,最好在飞行器运动方程中采用四元数来代替欧拉(Euler)角。本文介绍了四元数的性质,阐述了四元数在坐标变换中的作用和性质,并按照我国通用的坐标系和角度规定,建立了采用四元数的飞行器运动方程。最后评价了在飞行器运动方程中欧拉角和四元数的优缺点。     

误差四元数及其在航天器姿态控制中的应用

以四元数作为定位参数对航天器进行姿态控制。首先导出了误差四元数矢量,从而解决了航天器姿态控制中最终姿态表示的非单值性问题;其次,通过一个典型例子提出了非线性三轴姿态控制方法,该方法以误差四元数作为反馈量,以控制力矩陀螺作为执行元件,利用李亚普诺夫函数对非线性系统进行控制,为大型航天器的姿态控制开辟了新的途径;最后,给出了仿真结果,从而说明了以误差四元数作为定位参数的航天器姿态控制法具有计算速度快、计算精度高等优点。     

弹射救生数值仿真及不利姿态下救生性能分析

 国内弹射座椅救生性能预测分析主要依赖地面弹射试验。由于国内相关试验设备的缺乏,不利姿态下弹射座椅的救生性能很难通过试验获得,因此国内不利姿态下弹射座椅救生性能的分析研究比较薄弱。采用数值仿真的方法对弹射座椅的救生性能进行预测和分析,针对弹射座椅弹射过程的4个阶段分别建立了数学模型,其中自由飞阶段采用四元数法代替欧拉速率方程,以解决传统的六自由度方程出现的奇异性问题。采用四阶龙格-库塔法对数学模型进行求解,计算结果与地面弹射试验结果吻合较好。在此基础上,对某新型弹射座椅的弹射姿态轨迹进行计算,分析研究了弹射座椅在不利姿态下的救生性能,得到不利姿态下弹射座椅救生性能不佳的主要原因是座椅高速稳定性差以及飞机向下的牵连速度和飞机滚转角的影响,并根据分析结果提出了改善弹射座椅不利姿态下救生性能的基本方法。     

基于四元数误差模型的捷联惯导系统对准方法

传统的小干扰方程并不能描述捷联惯导系统在大失准角下的误差传播特性 ,推导了姿态误差为大角度时的四元数误差方程 ,并指出当姿态误差为小量时 ,所推导的误差模型与小干扰方程是等价的。仿真结果表明在大失准角下的空中对准过程中 ,采用四元数误差方程以及非线性滤波技术能有效地提高对准精度     

无人飞行器参数依赖鲁棒控制研究

研究了具有参数不确定性的无人飞行器参数依赖鲁棒控制器设计问题。采用误差四元数建立姿态运动方程,避免了欧拉角描述姿态运动存在奇异性的问题。通过引入附加的松弛矩阵使Lyapunov矩阵和系统矩阵分离,并利用平方和工具箱求解非线性矩阵不等式得到了系统的鲁棒控制器。仿真结果表明了所提出的控制器设计方法的可行性和有效性。     

三维带操纵面机翼欧拉方程数值模拟

本文给出了用欧拉方程求解带操纵面机翼的数值结果，采用有限体积法，四步Ｒｏｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ时间推进，结合不连续面通量守恒传递技术，对有操纵面偏转的三维机翼流场进行求解，计算结果与实验符合较好。     

曲边单元间断有限元方法求解二维Euler方程

考虑到间断有限元方法对边界的敏感性,采用基于八节点曲边四边形单元的间断有限元方法求解了Euler方程的圆柱绕流问题。详细推导了八节点四边形单元的变换关系,给出了Jacobi矩阵行列式的具体表达式。对比直边单元和曲边单元的计算结果,采用曲边单元后,计算结果符合Euler方程的无粘假设,得出了八节点四边形单元间断有限元方法求解Euler方程是合适的结论。     

空间飞行器大角度机动飞行的变结构姿态控制

研究了空间飞行器大角度机动飞行的变结构姿态控制。应用四元数来描述姿态运动，以消除大角度机动飞行时欧拉角描述所存在的奇异性。基于Lyapunov方法设计了变结构控制的切换函数，以保证系统的滑动模态．亦即四元数偏差的稳定性。基于所给切换函数，设计了变结构控制器。数值仿真的结果说明了设计方法的有效性。     

二维欧拉方程在非结构网格上的自适应有限元算法

发展了一种易于和自适应网格加密技术相结合的非结构三角形网格生成技术。这种方法的特点是域内节点可任意规定;根据欧拉方程解的误差估计,在流场某些区域增加节点后,能重新快速生成新的具有高质量三角形单元的非结构网格。欧拉方程采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ空间离散和Ｒｉｃｈｔｍｙｅｒ两步显式时间推进相结合的有限元法求解,并以沿流线熵的变化量作为物理判据进行网格自适应加密,提高解的精度。     

翼型的气动最优化设计方法和反设计方法＊

本文将数值优化方法同计算流体动力学（ＣＦＤ）相结合,形成两种跨声速翼型的气动设计方法,即：最优化方法和反设计方法。采用求解Ｅｕｌｅｒ方程的有限体积法计算流场,通过结合优化算法,从正反两个方向对跨声速翼型进行气动优化设计。实例证明它们是翼型气动设计的有效方法,有较高的工程应用价值。     

A New Single-blade Based Hybrid CFD Method for Hovering and Forward-flight Rotor Computation

A hybrid Euler/full potential/Lagrangian wake method,based on single-blade simulation,for predicting unsteady aerodynamic flow around helicopter rotors in hover and forward flight has been developed.In this method,an Euler solver is used to model the near wake evolution and transonic flow phenomena in the vicinity of the blade,and a full potential equation(FPE) is used to model the isentropic potential flow region far away from the rotor,while the wake effects of other blades and the far wake are incorporated into the flow solution as an induced inflow distribution using a Lagrangian based wake analysis.To further reduce the execution time,the computational fluid dynamics(CFD) solution and rotor wake analysis(including induced velocity up-date) are conducted parallelly,and a load balancing strategy is employed to account for the information exchange between two solvers.By the developed method,several hover and forward-flight cases on Caradonna-Tung and Helishape 7A rotors are per-formed.Good agreements of the loadings on blade surface with available measured data demonstrate the validation of the method.Also,the CPU time required for different computation runs is compared in the paper,and the results show that the pre-sent hybrid method is superior to conventional CFD method in time cost,and will be more efficient with the number of blades increasing.     

二维折角管道内超声速流动的多重网格计算

本文应用Euler模型和隐式TVD格式计算了二维折角管道内的超声速流动问题,为了有效地模拟激波和膨胀波系的相互干扰及壁面的反射,本文试将多重网格法和TVD格式结合起来进行数值求解。考虑到目前绝大部分文章采用V-循环多重网格法,我们对多重网格法中的几种多层次循环形式(V-循环、W-循环)进行了比较性的数值计算,旨在从中发现合适的多层次循环求解的形式,以期充分发挥多重网格法在Euler方程求解过程中的效益。同时,本文也是对多重网格法和TVD格式结合求解的一次初步尝试。     

基于对偶四元数的捷联惯导算法在发射点惯性系下的应用研究

针对导弹类载体在做复杂的高动态机动时,采用传统的捷联惯导算法容易产生圆锥误差与划船误差,从而导致解算精度降低的问题,在发射点惯性系下设计了基于对偶四元数的捷联惯导算法。在建立发射点惯性系下的捷联惯导解算模型的基础上,详细推导了基于对偶四元数的捷联惯导解算算法,通过对比分析其中的速度更新过程与传统算法的差异,说明该算法可以有效提高速度和位置解算精度。在设计的多条机动飞行轨迹下,以三子样更新为例,对对偶四元数算法和传统算法的性能进行了仿真对比分析。仿真结果表明,对偶四元数导航算法可以有效提高速度和位置解算精度,且姿态机动情况越复杂、持续时间越长,改善效果越显著。