双框架控制力矩陀螺群的建模与分析

 研究采用双框架控制力矩陀螺群在卫星高精度姿态控制中的建模问题。对于中心刚体带有多个双框架控制力矩陀螺,构造了该系统的拉格朗日函数。采用拟拉格朗日方程建立了卫星姿态动力学模型。在建模中,陀螺的内、外框架未进行无惯量的假设,使得双框架运动带来的动力学特性得到了准确的反映;设计了适宜的标记,使得方程形式简洁并且统一。该模型为高精度的数学仿真和分析提供了基础。基于系统的拉格朗日函数,应用拉格朗日方程,分别建立了沿内、外框架轴和转子轴的轴向动力学方程,为执行机构伺服系统的动力学特性分析和控制器设计提供模型的依据。     

Attitude control of a bias momentum satellite using moment ofinertia

Analysis on the attitude controller based upon moment of inertia distribution for a bias momentum satellite is discussed. Spacecraft moment of inertia distribution is represented in the form of product of inertia terms in the system inertia matrix. The product of inertia between orthogonal body axes of the satellite is used to build a controller which controls the nutational motion caused by the angular momentum of the wheel. The attitude controller in the pitch axis controlling the pitch motion as well as nutational dynamics in the roll/yaw planes is analyzed in detail. Analytic expressions using linearized equations are derived providing further insight into the dynamic coupling effect among orthogonal body axes     

机动飞行时航空发动机转子系统的振动特性

 利用Lagrange方程建立飞机在任意机动飞行条件下具有多盘、多质量和多轴承的不平衡柔性转子系统运动微分方程的一般表达式,然后以一个双盘悬臂柔性转子系统为例用数值方法研究飞机的典型机动飞行对转子系统动力特性的影响。结果表明:机动飞行将使转子运动轨迹的中心偏离原来的轴线,转子系统的振动明显增大,从而可能使转子与定子之间发生局部的碰磨。因此,飞机作机动飞行时,必须考虑机动飞行因素对转子动力特性的影响。     

不对中齿轮联轴器-轴承-转子系统动力特性

为适应液体火箭发动机高速涡轮泵模拟运转需求,内啮合齿轮联轴器被设计作为涡轮快速起动过程运动传递的核心零部件;实际中联轴器前后两轴的不对中程度对试验转子动态性能产生了极大影响.构建了此类特定工程应用的内啮合齿轮联轴器刚度阻尼计算模型、多种不对中工况的表征方法及其附加力与力矩的求解模型、考虑不对中因素的联轴器-滚动轴承-双...     

舰船纵横摇运动对旋翼瞬态气弹响应影响分析

为了研究舰船运动对舰载直升机旋翼瞬态气弹响应的影响,采用中等变形梁模型处理桨叶弹性变形,有限转角处理桨叶绕桨轴和铰的转动及舰船的横摇和纵摇运动,采用Hamilton原理建立了带有舰船运动的舰面旋翼瞬态气弹响应计算模型。通过与国外的试验值和计算值对比验证了本文计算方法的正确性,得到以下结论:(1)舰船的横摇运动对桨尖负向最大位移影响较小;(2)舰船的纵摇运动影响则较显著,随纵摇周期的减小和桨毂离舰船质心纵向距离的增加,桨尖最大负向位移增加显著,纵摇相位影响较为明显;(3)舰船与旋翼的气动和惯性耦合对旋翼瞬态气弹响应的非线性影响非常明显,计算中需计入两者共同的影响。     

Aeroelastic analysis of a shipboard helicopter rotor with ship motions during engagement and disengagement operations

An aeroelastic simulation of a shipboard helicopter rotor with ship motions during engagement and disengagement operations is investigated to explore the coupled dynamic behavior between the rotor and the ship. A finite element analysis based on a moderate deflection beam model is employed to capture the flap, lag and torsion deflections of the rotor blade. The ship is treated as a six-degree-of-freedom rigid body. By using the Hamilton?s principle, system equations of motion are derived based on the generalized force formulation. The responses agree well with the test data of the rotor blade droop stop impact and the transient aeroelastic response of the shipboard teetering model rotor. Parametric investigations illustrate that the ship pitch motion has significant influence on the maximum negative displacement of the blade tip. Additional over 25% increase of the tip deflection can be introduced by the ship pitch motion. The aerodynamic and inertial couplings between the ship motion and the rotor have significantly nonlinear influence on the transient aeroelastic response. Both terms should be taken into account in the coupled helicopter–ship dynamics model.     

基于变结构控制器的敏捷卫星姿态机动方法

随着遥感卫星观测能力的逐步提升,对卫星敏捷机动能力提出了更高的要求。针对敏捷卫星大角度姿态机动问题,以6个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成五棱锥构型的姿态控制系统执行机构,在构建敏捷卫星姿态运动数学模型以及设计SGCMG系统操纵律的基础上,对卫星绕Euler轴进行姿态机动的角轨迹进行规划,并设计了一种基于误差四元数与误差角速度的变结构控制器。仿真及在轨验证结果表明,该控制器能够完成规划轨迹的良好跟踪且具有较强的鲁棒性,研究成果对敏捷卫星姿态控制系统的设计具有重要的参考意义。     

考虑几何偏心的斜齿轮耦合转子系统振动响应分析

以一个2对斜齿轮耦合的三平行轴转子系统为研究对象,考虑静态传递误差、齿轮几何偏心等因素的影响,建立了全自由度通用齿轮啮合动力学模型,并将其与转子系统有限元模型进行耦合,建立了平行轴系齿轮转子系统的有限元模型,其中转子系统采用梁单元来模拟,齿轮之间的啮合通过啮合刚度矩阵和阻尼矩阵来模拟,最后分析了静态传递误差、转子质量不平衡、齿轮几何偏心以及三者耦合对系统动力学特性的影响.研究结果表明:齿轮几何偏心对啮合力有很大影响,其作用相当于一个扭矩作用于齿轮.      

基于涡环尾迹模型的共轴刚性旋翼直升机飞行动力学建模

共轴刚性旋翼直升机上下旋翼间距小,旋翼间气动干扰较为复杂,影响飞行动力学特性。针对这一问题,利用涡环单元动态尾迹方法构建了共轴旋翼气动力模型,通过与风洞试验结果比对说明该模型能够准确地计算存在气动干扰时共轴旋翼的气动力特性。以该共轴旋翼气动力模型为基础,建立了共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,并以XH-59A直升机为研究对象,计算了前进比为0~0.4时的配平特性。通过与飞行试验数据的比对发现：该飞行动力学模型与飞行试验结果比对良好;且模型计算速度较快。通过对配平结果以及旋翼尾迹运动的分析发现：共轴刚性旋翼直升机旋翼间气动干扰会增加悬停和低速前飞时的配平总距和总距差动;低速前飞时的纵向周期变距负梯度现象是由于旋翼间气动干扰与刚性旋翼挥舞运动特性叠加而造成的。     

直升机舰面动力学分析模型

建立了舰船甲板上直升机旋翼,机体耦合动力学分析模型,导出了其运动方程。无铰旋翼采用当量铰、刚硬桨叶模型,采用准定常理论计算桨叶气动力并计人旋翼动力人流的影响;假设机体是刚性体并在弹性起落架上作六自由度运动。舰船具有6个运动自由度,并考虑直升机在甲板上的不同位置及舰面流场等因素。     

地面系留对直升机动力响应的影响

 建立了系留状态下直升机旋翼/机体耦合非线性动力学模型,无铰旋翼简化为当量铰刚性桨叶模型,假定机体是刚性体并受起落架和系留索的约束,系留索静态时松弛并只能承受拉力。采用数值仿真研究了系留对模型旋翼地面共振的影响,对初始扰动和旋翼转速对系统动力学行为的影响也进行了仿真研究。对于无系留的模型旋翼来说,在任何转速下没有出现不稳定现象;地面系留时系统会呈现稳定响应、极限环以及大幅值振荡等非线性动力学行为,大幅值振荡将使系留索、接头和支持结构承受破坏性动力载荷。     

球面磁悬浮万向飞轮转子轮盘优化设计

为实现磁悬浮飞轮的磁路解耦,消除磁轴承相互干扰,提出一种球面磁悬浮万向飞轮转子方案,采用轴向和径向两个球面磁阻式磁轴承控制转子的3个平动自由度,结合洛伦兹力磁轴承实现了磁悬浮飞轮转子五自由度全主动控制、全通道磁路解耦,以精确控制飞轮转子万向偏转,为提升磁悬浮飞轮姿态控制力矩带宽和姿态敏感精度提供了方案支持。根据球面转子结构特性,以质量为优化目标,以一阶共振频率、最大等效应力、刚体位移、极转动惯量、惯量比、质心与形心距离为约束条件,利用多学科优化软件iSIGHT集成ANSYS有限元分析软件,选取序列二次规划算法,对球面转子轮盘进行优化设计。结果表明,在满足设计指标的同时,轮盘质量降低了2.98%,质心与形心的距离大幅降低了1个数量级,仅为12 μm,转子高速旋转时的刚体位移为13.65 μm,有效保证了球面转子在工作时的稳定性和可靠性。     

星上光学有效载荷的两级隔振研究

为实现星上光学有效载荷的高成像性能,对星上光学有效载荷的两级隔振进行了研究。所谓两级隔振,即除了对控制力矩陀螺群(CMGs)等执行机构振动源进行隔振外,还在光学有效载荷和星体之间加入隔振装置。首先建立了含有两级隔振系统以及CMGs和太阳帆板的整星动力学模型,并采用ADAMS工程软件验证了所推导模型的正确性;其次,在合理假设的基础上简化模型,分别求得由扰动源到星体和有效载荷的传递函数矩阵,分析CMGs隔振平台参数变化对姿态控制系统的影响,选择合理参数分析两级隔振系统的频域特性;最后通过数值仿真分析了两级隔振系统在星上应用的可行性,并通过频谱对比分析两级隔振系统对光学有效载荷姿态稳定度的改善程度。     

三轴式无人旋翼飞行器及自适应飞行控制系统设计

设计了一种操控简便的三轴式无人旋翼飞行器,由三组共轴双旋翼组成,各旋翼由直流电机直接驱动,只需调节各电机转速就能控制旋翼飞行器运动姿态和轨迹。为使三轴式无人旋翼飞行器飞行控制系统设计得到有效验证,研究了旋翼飞行器的飞行动力学非线性建模,运用叶素动量理论建立了共轴双旋翼变转速旋翼载荷计算方法,分析了旋翼入流分布对共轴双旋翼气动载荷模型的影响,通过试验验证了共轴双旋翼气动载荷计算模型的正确性。由于旋翼飞行器飞行动力学模型的非线性及未建模动力学的影响,难于建立非常精确的数学模型,给飞行控制系统设计带来了挑战。本文根据旋翼飞行器飞行动力学非线性模型推导出了旋转动力学模型逆和平移动力学模型逆控制器,利用神经网络在线自适应修正模型逆误差,采用线性PD或PI控制器调节指令跟踪误差,应用由向心回转和垂直上升组合的机动科目进行了仿真验证,给出了具有外界阵风干扰模拟的仿真结果,表明所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现精确的轨迹跟踪控制。     

共轴式直升机地面共振的旋翼参数影响分析

建立了共轴式直升机地面共振分析模型,采用特征值分析法计算得到了直升机地面共振模态特性,分析了上下旋翼间距、旋翼摆振铰外伸量、摆振刚度及摆振阻尼比等旋翼设计参数对共轴式直升机动稳定性的影响。研究发现,减小上下旋翼间距可提高系统动稳定性,且不稳定中心远离工作转速;增大摆振刚度及旋翼摆振铰外伸量可提高系统动稳定性,且不稳定中心远离工作转速;增大摆振阻尼比可提高系统动稳定性,但不稳定中心稍接近工作转速。     

弹性飞翼无人机鲁棒姿态控制设计

针对大展弦比飞翼布局无人机的刚体运动与弹性运动耦合动力学模型,提出了一种基于反步法的鲁棒非线性控制方法。该方法考虑了飞翼无人机的非线性因素,将动态面反步控制作为内环控制抵消系统的非线性因素;同时考虑系统实际存在的弹性耦合项、参数不确定项以及外部扰动,将内环反步控制与飞翼无人机模型整体作为新的被控对象,引入最优化理论对新的被控对象设计了外环鲁棒控制器。仿真结果表明,所提出的控制器不仅满足飞翼无人机姿态跟踪性能的要求,且对模型不确定性和气动弹性影响具有鲁棒性。     

计及诱速和风切变的直升机自转前飞特性

研究直升机自转前飞时在风切变条件下的稳定性和操纵性。风切变采用非线性模型，旋翼模型考虑桨叶的刚性挥舞运动，桨叶根部具有水平铰外伸量和弹性约束，诱速在桨盘处的分布采用固定涡系所表示的诱速非均匀分布模型，以Ｚ９飞机为算例，算出计及风切变与否的自转前飞平衡参数和稳定根及操纵响应，显示了风切变对自转前飞操稳特性的影响。     

多片后缘小翼对直升机旋翼桨叶动态失速及桨毂振动载荷的控制

 减缓直升机后行桨叶动态失速发生、降低直升机桨毂振动载荷是提高直升机飞行速度、改进直升机飞行性能的重要途径。本文研究了直升机在高速高载情况下利用多片受控的桨叶后缘小翼对直升机的后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷同时进行控制的有效方法。建立了弹性桨叶和后缘刚性小翼的结构动力学模型。桨叶剖面气动载荷采用Leishman-Beddoes 二维非定常动态失速模型计算,后缘小翼剖面气动载荷采用Hariharan-Leishman二维亚声速非定常气动模型计算。采用伽辽金和数值积分相结合的方法求解旋翼系统的气弹响应。建立了有效的多片后缘小翼控制策略和控制方法,分析了3片后缘小翼的运动规律及对后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷的控制效果,结果表明利用多片小翼的运动是控制桨叶动态失速和桨毂振动载荷的有效方法。     

油叶型轴承--不平衡转子系统的非线性动力学分析

基于变分法提出了一个求解雷诺边界条件下有限长轴承油膜力的快速算法,用此算法对一个三油叶不平衡轴承—转子系统的非线性动力学行为进行了一系列的分析。数值模拟的结果显示了转子由稳定的同步涡动分岔为半频油膜涡动继而变为油膜振荡的失稳过程,还分析了轴承形状、轴承间隙、转子的质量大小、质量偏心位置等参数对转子运动的影响,提出了如何通过调节这些参数来提高转子系统稳定性的方法。      

Nonlinear dynamic behavior of a flexible asymmetric aero-engine rotor system in maneuvering flight

Aero-engine rotor systems installed in aircraft are considered to have a base motion. In this paper, a flexible asymmetric rotor system is modeled considering the nonlinear supports of ball bearings and Squeeze Film Dampers (SFDs), and the dynamic characteristics of the rotor system under maneuvering flight are systematically studied. Effects of the translational accelerative motions, the angular motions and the pitching flight with combined translational and angular motions on nonlinear dynamic behavior of the rotor system are investigated. The results show that, due to the nonlinear coupled effects among the rotor, ball bearings and SFDs, within the first bending resonance region, responses of the rotor show obvious nonlinear characteristics such as bistable phenomenon, amplitude jumping phenomenon and non-synchronous vibration. Translational acceleration motion of the aircraft leads to axis offset of the rotor system and thus results in the reduction and the final disappearance of the bistable rotating speed region. The pitching angular motion mainly affects rotational vibration of the rotor system, and thus further induces their transverse vibrations. For the pitching flight with combined translational and angular motions, a critical flight parameter is found to correspond to the conversion of two steady responses of the rotor system, in which one response displays small amplitude and synchronous vibration, and the other shows large amplitude and non-synchronous vibration.