航空发动机整机动力学研究进展与展望

对近年来航空发动机整机动力学的研究现状、进展进行了综述,包括双转子系统固有特性计算、转子-滚动轴承系统动力学、转子叶片振动、发动机机匣动力学、机动飞行转子系统动力学、航空发动机转子碰摩动力学、航空发动机转子裂纹以及整机动力学等.最后对航空发动机整机动力学今后工作研究的方向进行了展望.     

联轴器不对中转子系统的故障再现方法

针对转子系统联轴器不对中的故障再现问题,建立了动力学相似模型转子系统的方法。讨论由联轴器不对中引起的附 加力的情况,建立了带有联轴器不对中转子系统的数学模型;采用方程分析法和量纲分析法相结合的方法,推导了联轴器不对中 转子系统的动力学相似关系;设计了动力学相似的原型和模型系统,通过对设定系统进行数值仿真,分别对比了2套系统的轴心 轨迹和频域响应。结果表明：模型与原型系统的频率成分相同,轴心轨迹形状一致且满足相似比例,验证了所提方法的正确性。 搭建了2组动力学相似试验台,进一步验证了所提出相似设计方法的实用性和有效性。该研究结果为再现原型系统联轴器不对 中故障的动力学相似模型设计奠定了理论基础。     

基于拉格朗日力学的伞-弹系统动力学模型

为了回避牛顿力学体系在多体动力学建模过程中存在的复杂约束力求解问题,以拉格朗日力学体系为基础,从分析力学的角度出发,建立了铅垂平面内降落伞-弹系统五自由度动力学模型。详细介绍了拉格朗日力学体系动力学建模过程,推导了铅垂平面内伞-弹系统动能公式,解决了伞-弹系统广义力求解问题,给出了伞-弹所受空气动力的广义力表示。算例将建立的伞-弹系统模型和牛顿力学体系下简化的伞-弹模型进行对比,两种模型计算结果吻合,验证了本文模型的正确性。降落伞-弹系统动力学模型验证了拉格朗日力学在常规飞行器动力学建模中的可行性,为使用ADAMS等基于拉格朗日力学思想建模的商业软件进行伞-弹系统动力学求解提供理论依据,可以用于指导伞-弹系统的分析和设计。     

轴承共腔结构涡轴发动机相似模型设计

为改善轴承共腔结构双转子系统动力学实验器建立过程中人为或非人为结构畸变导致的动力学相似性偏差问题,开展 了适用于轴承共腔结构的双转子系统动力学特性研究。通过有限元法建立了某轴承共腔结构双转子发动机的转子动力学模型及 其粗尺相似模型,在对该转子模型动力学特性分析的基础上与原型发动机转子的动力学特性进行对比,比较了双转子系统的动力 学相似性。通过遗传算法建立了针对双转子系统动力学特性的相似优化算法。针对该型轴承共腔结构涡轴发动机采用提出的优 化算法建立了双转子系统相似模型。通过有限元法对该相似模型进行动力学特性分析,对比了该相似模型和原型发动机转子之间的 临界转速和振型特征。结果表明：该相似模型与原型转子模型相比保持了良好的多阶临界转速比例关系,且具有较好振型相似性。     

基于多体动力学的大型翼伞系统飞行仿真分析

飞行动力学分析是大型翼伞系统设计及归航方案研究的重要基础。为此,提出了基于多体系统动力学理论的大型翼伞系统飞行动力学仿真分析方法,给出了相应的多体系统模型,建立了系统的运动学约束方程组和飞行动力学变分方程组。通过引入拉格朗日乘子,获得了大型翼伞系统封闭的飞行动力学方程组,对某大型翼伞系统的飞行动力学过程进行了仿真计算。结果表明,与小型翼伞系统相比,大型翼伞系统的稳定滑翔速度大、抗外界干扰能力强、转弯半径大、转弯周期长、操纵响应慢。此外,风速和风向对大型翼伞系统的飞行轨迹和着陆点的位置有明显影响。对于同一具翼伞,回收物重量和初始高度是影响留空时间的主要因素。所提方法可以有效、准确地应用于大型翼伞系统的飞行动力学仿真分析。     

螺旋桨发动机安装系统动力学设计技术综述

随着螺旋桨发动机安装系统国产化研制进程的加快,相关的技术研究必须开展,动力学设计是其中的重要组成部分。本文对比分析了不同结构形式安装系统的动态性能特点,进一步从军民用标准规范和工程实践经验出发,归纳了安装系统动力学设计的技术要求,梳理了安装系统动力学设计技术的发展历程和国内外现状,指出国内外差距主要体现在设计理念、关键技术和应用实践经验等方面。在此基础上,展望了螺旋桨类发动机安装系统动力学设计技术的发展趋势,为当前及未来螺旋桨类发动机安装系统设计技术研究提供了参考。     

基于等效模型的流体动压指尖密封动力学及泄漏量分析

 流体动压指尖密封系统因其结构和工况条件的复杂,无法完整描述其动力学特性和泄漏性能。针对这一情况,通过有限元仿真试验,分析流体动压指尖密封系统动力学参数与指尖密封结构工况参数之间的关系,在此基础上建立等效流体动压指尖密封系统弹簧-质量-阻尼的双自由度动力学模型,实现流体动压指尖密封的动力学和泄漏性能分析。研究结果表明,只要合理选择结构和工况参数,就可以获得具有良好动力学和泄漏性能的流体动压指尖密封系统。所提出的等效动力学模型为以后进一步研究流体动压指尖密封这一复杂系统提供了有价值的思路和条件。通过与国外数据的对比,证明该等效动力学模型的可靠性和提出该模型的必要性。     

航空装备综合保障系统评估方法研究

主要介绍了航空装备综合保障的各要素,以及系统动力学方法在航空装备综合保障评估研究中的应用,并利用系统动力学方法建立了某飞行团的综合保障评估模型。     

某型管接头系统的动强度分析及优化设计

针对某型飞机管接头系统采用了动力学优化的有限元分析方法,进行了冲击压力载荷下系统的动强度及卡箍特性的优化分析,得到了不同卡箍参数对系统动力学特性的影响,提出了满足系统动强度要求的优化设计方案,最终使管路系统的安全可靠性得到了保障,为系统的安全性指导和设计提供了理论依据。     

航空发动机低压转子系统的动力学相似设计方法

提出了航空发动机转子系统动力学相似设计方法,以便采用模型替代实际结构对其动力学特性进行研究。基于转子系统的动力学等效原则,通过动力学优化方法建立全尺寸原型的相似等效模型。综合采用方程分析和量纲分析推导转子系统的动力学相似准则,并根据转子设计参数的相似关系建立相似等效模型的缩比模型。基于模型修正方法对三维设计模型的相似误差进行修正,得到预测精度较高的动力学相似模型。以双转子发动机低压转子试验模型的动力学相似设计为例,通过有限元仿真对动力学相似设计方法的有效性进行了验证。结果表明:在设计转速范围内,通过该方法得到的动力学相似模型能够有效预测全尺寸原型的临界转速和不平衡响应,前三阶临界转速的相似误差分别为3.09%、1.75%和0.31%,对应振型的相关性均大于0.93。该方法具有较高的实用价值,可为发动机整机动力学相似设计提供参考。     

基于Broyden法的旋翼多体系统气动弹性分析

建立了旋翼多体系统气动弹性模型并给出了一种适合于该模型响应计算的数值计算方法。采用柔性多体系统动力学方法建立旋翼气动弹性模型,利用驱动约束显著简化约束方程形式,集成大变形桨叶模型,准确考虑变形的非线性,适合于对采用柔性结构的先进旋翼进行气动弹性分析。基于Broyden法改进隐式积分法积分一步中非线性方程的求解,避免求取切线矩阵和矩阵求逆运算,保持隐式积分法具有较好稳定性的同时提高计算效率,解决了旋翼多体系统气动弹性力学方程隐式表达且具有较强非线性和较高刚性比造成的响应计算困难。通过模型旋翼桨叶响应计算验证了结构模型与气动弹性响应求解方法。采用建立的气动弹性模型计算悬停和前飞状态旋翼气动弹性稳定性,与试验结果对比验证了模型的正确性。研究了不同的稳定性计算方法、桨叶结构模型和入流模型等对悬停和前飞稳定性计算的影响,结果表明本文所采用的结构、气动模型及气动弹性稳定性计算方法提高了气动弹性稳定性分析精度。     

飞行器控制系统的高精度计算方法

对于连续时间线性二次最优控制问题，在动力学方程和价值泛函的基础上，给出其全状态下的微分方程，进而将精细时程积分法引入上述问题，其优点为，放弃了传统的差分算法，使计算过程既简便又稳定；避免了Ｒｉｃｃａｔｉ代数方程的求解；具有非常高的计算精度。通过对某飞行器控制系统的计算，充分说明了上述特色。     

Deployment dynamic analysis of deployable antennas considering thermal effect

Dynamic analysis of flexible multibody systems is complex. Several successful methods have been demonstrated. However, few works discussed the dynamic performance of the flexible multibody under different temperatures. This paper uses the absolute nodal coordinate formulation to analyze the flexible body dynamics of deployment structures under different temperatures to simulate space environments. The dynamic equations of finite element in temperature field are developed. Then a computer-aided simulation of flexible multibody systems in temperature field is implemented. A general four-bar mechanism under different temperatures as a simulation example is demonstrated, and the deployment characteristics of a special four-bar mechanism as a basic module of the hoop truss deployable antenna is analyzed under different temperatures in order to evaluate the dynamic performance of the deployable antenna in space environments. The simulation results indicate the influence factors of deployment dynamic characteristics include the structural form, material properties, geometric parameters and deployment planning in ambient and thermal/vacuum environments.     

基于多体动力学的旋翼模型与气弹稳定性

针对无轴承等先进旋翼结构特点,建立了基于柔性多体系统动力学方法的旋翼气弹分析模型.旋翼各构件建模相互独立,便于组成不同构型旋翼,适合于新构型旋翼气弹分析.分析模型集成了适合于旋翼气弹分析的隐式大变形桨叶模型,构件动力学方程增加了铰链动力学方程,统一约束方程形式,改进了角运动约束方程,避免连续旋转引起的奇点问题.应用分析模型计算无铰式旋翼和无轴承旋翼的气弹稳定性,分析结构参数对旋翼气弹稳定性的影响.分析结果表明模型能准确计算结构弹性变形的耦合及非线性,提高旋翼气弹稳定性分析精度.      

结构动力学方程的显式与隐式数值计算

从理论上详细推导了动力学方程的显式隐式时间积分数值计算方法,针对经典中心差分格式在求解阻尼结构计算效率降低的问题,研究提出了一种新的显式积分格式,理论证明该数值积分格式能够处理各种复杂阻尼状态而不降低计算效率。对于不同的时间步长通过设定调节加速度参数,能得到比经典显式计算格式和NEWMARK逐步时间积分更高的精度,最后通过数值算例对三种计算格式的理论分析进行了验证。     

含时滞结构线性时变系统伺服机构设计的PGOPO法

采用线性、连续、有界算子－分段广义正交多项式算子对含时滞结构的线性时变系统的线性伺服机构设计问题进行了研究,得到了一种形式简洁、计算精度较Ｗａｌｓｈ函数、块脉冲函数法更高的逼近方法。文中所列举的两个例子充分说明了分段广义正交多项式算子法在时滞系统伺服机构设计中的适用性和有效性。     

Strapdown inertial navigation system algorithms based on dual quaternions

The design of strapdown inertial navigation system (INS) algorithms based on dual quaternions is addressed. Dual quaternion is a most concise and efficient mathematical tool to represent rotation and translation simultaneously, i.e., the general displacement of a rigid body. The principle of strapdown inertial navigation is represented using the tool of dual quaternion. It is shown that the principle can be expressed by three continuous kinematic equations in dual quaternion. These equations take the same form as the attitude quaternion rate equation. Subsequently, one new numerical integration algorithm is structured to solve the three kinematic equations, utilizing the traditional two-speed approach originally developed in attitude integration. The duality between the coning and sculling corrections, raised in the recent literature, can be essentially explained by splitting the new algorithm into the corresponding rotational and translational parts. The superiority of the new algorithm over conventional ones in accuracy is analytically derived. A variety of simulations are carried out to support the analytic results. The numerical results agree well with the analyses. The new algorithm turns out to be a better choice than any conventional algorithm for high-precision navigation systems and high-maneuver applications. Several guidelines in choosing a suitable navigation algorithm are also provided.     

非对称体超音速无粘绕流流场数值计算

 本文给出了非对称再入飞行器的超音速三维无粘流场的数值计算方法。它归结为求解三个自变量—阶定常拟线性双曲型偏微分方程组的初边值问题。采用MacCormack二步显式差分格式。 为了说明计算方法的实际能力,对弯头钝锥和带控制翼的再入体作了计算。其精确度是令人满意的。     

Attitude control of a satellite with redundant thrusters

Redundant thrusters are generally used for a reliable attitude control system. Also, redundant thrusters yield a better performance if they are used appropriately. In this paper, the authors propose an efficient redundancy management algorithm to reduce the fuel consumption. The algorithm is based on a linear programming problem which is a constrained optimization problem. For the algorithm, a cost function is defined as a quantity related to the fuel consumption for a maneuver. The independent variables are the thrusters' on-times which are control input variables of a satellite dynamic model. The advantage of the proposed method is verified by numerical examples. The examples show that the proposed method consumes less fuel than an existing method for a given maneuvering command. A sub-optimal algorithm is also discussed for an onboard computation. The proposed algorithm is applied to two maneuvers: move-to-rest and rest-to-rest. This is verified by a numerical simulation.     

变厚度锥形壳的固有频率

 变厚度锥形壳体的固有频率使用有限元计算已无困难,但有限元法编制程序复杂、费时多。本文用半解析法,由锥形壳的基本方程导出等价的8个一阶微分方程,用数值积分方法得到变厚度锥形壳体的固有频率。方法简单,编程容易,计算精度已满足工程计算要求。