基于深度学习的飞行载荷测试与反演方法研究

飞行载荷测试技术对飞机的载荷设计、强度试飞以及寿命监控等有重要的意义。为了实现复杂翼结 构气动载荷的实时在线分布测试,提出基于精细化有限元仿真数据驱动的载荷反演方法;使用深度学习方法建 立神经网络代理模型,通过有限元方法构建典型载荷下的结构响应数据集,对模型进行训练;将基于深度学习 方法的翼面载荷反演结果与有限元计算结果进行对比验证。结果表明:总载荷的平均误差约为0.2%,压心位 置误差约为1%,该方法可以使用少量的应变测点数据对整个翼面结构的载荷分布实时反演与重构。     

量化选取应变电桥在载荷校准中的应用

在载荷校准中,应变电桥的选择直接影响载荷测量的精度。以起落架单向加载工况下的电桥为研究对象,用数学公式来量化表示电桥的线性度、响应系数和单向性等基本特性,并根据其特性筛选电桥,然后用所选电桥建立载荷方程。结果表明该方法具有效率高、质量高、精度高等优点,同时也实现了载荷方程的自动化计算。     

悬停状态下旋翼噪声声源反演的正则化方法

根据旋翼辐射的气动噪声求解气动声学反问题，给定合理的旋翼表面载荷并结合声类比方法得到观测点的信号，以此进行表面载荷反演。对建立的大型不适定性方程组采用奇异值分解结合正则化方法进行求解，为克服反演结果存在的数值振荡，采用多项式函数来表示未知量，并引入库塔条件作为先验信息。结果表明:理想条件下，该方法得到的旋翼表面的压力分布更接近输入值，尤其在载荷分布较大的叶尖区域，考虑干扰噪声影响后，该方法得到的展向截面吸力峰位置的最大相对误差从15%减小到4%。      

用自助法估计外弹道测量数据随机误差分布特性

针对外弹道测量数据的有限性使随机误差的分布估计不够准确的问题,提出了基于Bootstrap（自助）方法的外弹道测量数据随机误差分布特性估计。首先对测量数据采用样条分频技术得到随机误差的初步估计,然后采用三次多项式拟合修正样本经验分布函数,替换传统Bootstrap方法中经验分布函数,得到随机误差的Bootstrap样本,计算Bootstrap样本的统计量,从而得到精度较高的外弹道测量数据随机误差模型。从仿真数据验证结果来看,解决了传统Bootstrap方法仿真随机样本相对比较集中的问题。     

大规模应变监测值获取技术研究

针对全机静强度试验过程中获取应变监测值的问题,提出一种适用解决该问题的方法。全机静强度试验过程中,需要对一万个左右的应变片进行监控。在试验之前,需要提供试验工况下每个应变片的理论计算值作为监测值,筛选出重点关注部位,方便与试验值进行对比。由于应变片数量大,根据有限元结果,手工获取应变监测值效率低且易出错。从应变变换和应变插值的基本理论出发,详细介绍了快速获取应变监测值的方法,并基于HyperWorks有限元前后处理软件开发出一套应变监测值获取工具,实现了在单元面内和面外对应变进行插值,提高了应变监测值计算精度,克服了传统基于自然网格有限元模型方法带来的计算繁琐、效率低、局部计算精度不足的缺点,大大降低了应变监测值数据的准备难度。     

单向陶瓷基复合材料任意应力本构行为快速计算方法

为了实现快速预测陶瓷基复合材料(CMCs)任意应力加卸载作用后的损伤状态和本构行为,对CMCs任意应力加卸载力学行为进行研究。提出了任意应力加卸载曲线简化方法,得到仅包含决定CMCs损伤状态的等效载荷曲线。基于剪滞模型,直接给出CMCs在等效载荷曲线作用后的滑移区分布,避免对载荷曲线的逐点计算。进而预测了材料的损伤状态和应力应变行为。将原始加卸载曲线带入剪滞模型,计算CMCs滑移区分布和应力应变,并与本文提出的方法进行比较,结果表明,两种计算方法计算的结果一致,说明了本文提出的载荷曲线简化方法和滑移区分布计算方法是可行的。     

基于EMD-SVR的光纤陀螺随机误差预测

为了提升光纤陀螺随机误差建模的准确性及补偿结果,提出了一种基于经验模态分解与支持向量机结合的随机误差预测方法。鉴于随机误差的非线性及不稳定性,直接进行预测时精度不高,采用经验模态分解对原始数据进行分解以降低时间序列的复杂程度;然后根据经验模态分解得到的各本征模态函数及趋势序列,构建基于支持向量机的预测模型;再将所得的各分量的预测结果综合以得到光纤陀螺随机误差的预测结果。以光纤陀螺随机误差数据作为验证,结果表明,相较于传统的预测方法,均方根误差与平均绝对误差分别降低了78.4%和75.5%,有效提高了回归精度。     

电桥逐步筛选飞行载荷建模方法及其应用

通过载荷地面校准试验建立载荷模型是应变法飞行载荷准确测量的基础,为高效准确地建立载荷模型,在对应变法飞行载荷测量原理分析的基础上提出了一种基于电桥应变响应特性综合指标的电桥逐步筛选飞行载荷建模方法,在建模过程中对参与建模的电桥进行逐步筛选并得到一组备选载荷模型,结合叠加原理验证及电桥物理特性分析等方法可确定飞行实测中所选用载荷模型。应用该方法对机翼测载剖面飞行载荷进行测量,结果表明该方法准确可靠,并可将测载结果应用于飞机飞行载荷安全监控。     

超大直径网格加筋筒壳快速屈曲分析方法

针对新一代重型运载火箭及大型飞机中存在的超大直径网格加筋壳结构,提出了一种快速屈曲分析方法。首先,基于渐进均匀化法的快速数值实现方法和瑞利-里兹法建立了快速屈曲分析框架,并通过与算例中等效刚度法屈曲载荷结果进行比较,验证了本文方法具有较高的预测精度。然后,对比了3种结构尺寸下网格加筋壳屈曲分析效率,结果表明本文方法不受结构尺寸影响,平均计算时间仅为6s,凸显了其用于超大直径结构分析的高效性。进而,基于本文方法对4种传统加筋构型及2种新型多级加筋构型进行屈曲载荷评估,其预测误差均在3.0%以内,表现出广泛的构型适用性。在此基础上,通过优化设计的方法对比了上述6种加筋构型的承载效率,优化结果表明本文提出的多级三角型加筋构型最具承载优势,相较于初始方案取得了82.2%的承载增幅,可作为一种新型超大直径网格加筋壳结构储备。     

带翼展飞行器质量质心测量系统设计与误差分析

为解决传统的基于三点法的质心测量系统无法应用于带翼展飞行器的问题，提出了一种基于三点方式的任意旋转角质心测量法。为了提高系统测量精度，采用响应面法分析多种随机误差对系统测量精度的综合影响。首先，构建了带翼展飞行器的质量质心测量系统，然后利用随机误差传递公式得到各个随机误差与系统测量精度之间的关系式，并使用响应面法和拉丁超立方抽样法得到多种随机误差与系统测量精度之间的二次项关系式模型，进而依据二次项关系式模型和系统精度指标得到各元器件的精度要求，并分析了满足系统测量误差的旋转角度范围。最后对200 kg、400 kg、800 kg三种质量级别的待测带翼展飞行器在不同旋转角度下进行了多次测量，并将响应面计算结果与理论值进行了对比。对比结果表明，质心测量精度满足系统精度要求，从而验证了任意旋转角度下该测量方法的有效性，以及随机误差与系统测量精度之间的二次项关系式模型的正确性。     

基于弹簧-悬臂梁模型最小变形能的气动载荷分配方法

在进行气动载荷到结构载荷转换时使用弹簧-悬臂梁模型来代替悬臂梁模型,解决了如果气动载荷点与部分结构节点重合则会导致难以求解的问题,载荷分配结果符合“近大远小”的规律,且分配前后完全符合等效性。研究了模型参数对载荷分配结果的影响,讨论了利用悬臂梁与弹簧刚度比,刚度与目标点距离的比来控制分配结果的方法。另外,讨论了使用构造函数代替物理模型的方法。     

Optimal time-varying load sharing for divisible loads

A load sharing problem involving the optimal load allocation of divisible loads in a distributed computing system consisting of N processors interconnected through a bus-oriented network is investigated. For a divisible lend, the workload is infinitely divisible so that each fraction of the workload can be distributed and independently computed on each processor. For the first time in divisible load theory, an analysis is provided in the case when the processor speed and the channel speed are time varying due to background jobs submitted to the distributed system with nonnegligible communication delays. A numerical method to calculate the average of the time-varying processor speed and the channel speed and an algorithm to find the optimal allocation of the workload to minimize the total processing finish time are proposed via a deterministic analysis. A stochastic analysis which makes use of Markovian queueing theory is introduced for the case when arrival and departure times of the background jobs are not known     

基于传热反问题方法的N_2O/C_2H_4预混推进剂燃烧室热流测量研究

测量液体火箭发动机的热载荷是获取燃烧室内部信息的重要方法。为了获取N_2O/C_2H_4预混推进剂燃烧室内壁的热载荷,建立了液体火箭发动机的热流计算的反问题方法,该方法基于对燃烧室壁面温度场的直接求解,通过对轴向多个位置测量温度的反演计算得到燃烧室内壁热流和温度。研究表明:应用文中建立的传热反问题方法能够较为准确地获得热流随时间及空间的分布;热电偶的位置对计算准确性有明显的影响,与理论深度偏差在0.2mm以内的随机深度偏差可导致超过4%热流反演误差;N_2O/C_2H_4预混推进剂燃烧室热流及温度沿轴向逐渐降低,表明燃烧室内的反应释热过程主要在燃烧室头部附近发生。     

AP聚类改进免疫算法用于航空发动机故障诊断

在免疫算法训练过程中引入近邻传播(AP)聚类与熵权法,对训练样本进行聚类与权值计算,将权值引入免疫算法中样本选择阈值的计算,以解决训练过程采用固定选择阈值所造成的检测器在部分区域过拟合,部分区域欠拟合的问题。结果表明:改进的免疫算法用于典型非线性函数的寻优时,迭代性能均优于传统免疫算法,并在大部分情况下优于粒子群算法与量子遗传算法,在进行某型发动机故障诊断的实例实验时,改进后的算法的诊断准确率达到98.06%,高于传统免疫算法的92.60%。      

航天用反作用飞轮旋转变压器位置检测算法

目前,航天用反作用飞轮大多采用霍尔传感器或光电码盘进行测速。但是,霍尔传感器在反作用飞轮低速运行时精度相对较低,光电编码器的环境适应性相对较弱。基于此,提出了一种使用旋转变压器检测反作用飞轮转子位置的方法。但如果在现有飞轮控制电路中额外使用旋转变压器专用解码芯片,会导致成本大大提高,故提出了使用控制电路中的FPGA进行解码的方法。首先,介绍了旋转变压器的工作原理,通过求解反三角函数获得转子位置。其次,介绍了传统坐标旋转数字计算机(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)算法。最后,针对传统CORDIC算法无法求解完整平面角度值问题,提出了一种改进型CORDIC算法求解转子位置,并给出了一种能够减少硬件使用资源的全流水线CORDIC阵列结构。通过Modelsim仿真,证明了所提出的方法具有占用资源较少、延迟低、测量精度较高等优点,在反作用飞轮测速应用中具有良好前景。     

某中央翼盒对飞行载荷实测的影响

使用应变法测量某具有中央翼盒平尾的飞行载荷时,在地面校准试验中发现：左翼面载荷可使右翼面根部应变计有较大的响应,反之亦然。该现象可使根部载荷测量精度下降。分析了中央翼盒对根部载荷测量影响的机理,给出了一种考虑异侧载荷影响的载荷方程建立方法,讨论了不同类型剪力载荷方程对异侧载荷影响的敏感性,并将修正前后的方程应用于飞行载荷实测。结果发现：本文方法一定程度上可提高根部载荷方程的精度;对上述平尾结构,由两个剪力一个弯矩组建的载荷方程对异侧载荷影响不敏感,修正前后实测的飞行载荷差异在5.7%之内,由两个剪力和两个弯矩组建的载荷方程对异侧载荷影响敏感,修正前后实测的飞行载荷差异达到78.6%。     

Novel minimum time trajectory planning in terrain following flights

A new methodology has been proposed to enhance inverse dynamics applications in the process of trajectory planning and optimization in terrain following flights (TFFs). The new approach uses a least square scheme to solve a general two-dimensional (2-D) TFF in a vertical plane. In the mathematical process, Chebyshev polynomials are used to model the geographical data of the terrain in a given route in a manner suitable for the aircraft at hand. The aircraft then follows the modeled terrain with sufficient clearance. In this approach the terrain following (TF) problem is effectively converted to an optimal tracking problem. Results show that this method provides a flexible approach to solve the TFF problem especially in conditions where the existing terrain to be flown over is not mathematically well behaved     

基于飞行参数的飞机结构载荷最优回归模型

基于飞行参数获取外场飞机疲劳关键结构载荷历程是结构故障预测与健康管理系统的一项关键技术,如何构建鲁棒性好且精度高的结构载荷回归模型是保证载荷识别和寿命预测准确性的关键。结合多元线性回归分析,提出并详细介绍了一种筛选最优输入参数组合的技术途径：首先,进行多重共线性诊断以减弱自变量之间的多重共线性;然后,进行残差分析,删除异常样本点;最后,采用逐步回归法筛选出最优自变量组合。指出传统的多重共线性诊断方法存在一定弊端,并分别基于偏相关系数法和辅助回归方程法,提出了2种更为合理可行的诊断方法。以典型战斗机翼身连接框某关键部位的载荷和应力为样本数据,对最优输入参数组合的筛选步骤展开详细说明,验证了所提出的技术途径不仅可以确保飞机结构载荷模型的精度,而且可以提高模型的稳定性和鲁棒性。     

修正容积卡尔曼滤波数据域直接定位算法

为解决数据域直接定位（DPD）算法面临的计算压力,提高算法效率,提出一种基于修正的容积卡尔曼滤波（MCKF）的DPD算法。首先,融合各观测信号波达方向信息,利用子空间数据融合方法建立一种基于间接观测量的DPD滤波模型;然后,根据模型特点设计MCKF算法进行求解,解决间接观测量带来的噪声累积问题;最后,对算法计算量进行分析和对比,说明计算效率的提升。仿真结果表明,所提算法与基于最大似然遍历搜索和遗传算法的DPD算法相比,在相同的估计性能下,计算量下降明显,时效性显著提升,增加了算法实用价值。