大迎角非线性飞行动力学（二）

五、大迎角飞行时动态特性研究方法飞机在大迎角飞行时,是一个复杂的非线性系统。非线性系统的研究与线性系统有很大的区别,它不像线性系统那样有一般性的有效的求解方法。由于系统非线性的形式是多种多样的,因此研究的方法也有许多种,其理论研究方法大致可以分为二大类:解析的方法和几何的(或拓扑的)方法。对由非线性常微分方程所描述的非线性动力学系统,其解析法通常可以分成三种类型:“精确的”、“时间连续的”和“平均的”。存在有解析的、封闭形式的精确解的问题是极少的。时间连续法,众所皆知的Runge-Kutta数值积分法就是代表方法之一,其计算程序     

转子弹性支承螺栓松动致干摩擦故障分析

根据工程实际中某核心机转子振动异常现象和试验件结构检测结果，建立了前支点鼠笼弹支松动的故障转子简化力学模型。基于转子动力学理论和试验信号中谐波特征，建立了前支点鼠笼支承结构由于螺栓连接松动致干摩擦简化模型，重点分析了干摩擦非线性对转子系统的轴心轨迹、弹支位移和支点反力等动力学响应特征的影响，从简入繁分析了如下3种转子的动力学特性：无故障的线性转子系统；考虑螺栓松动致非线性力、不考虑陀螺效应的非线性系统；考虑螺栓松动致非线性力和陀螺效应的非线性转子系统。研究发现：在转子系统中考虑干摩擦非线性力后，系统响应特征中会出现丰富的谐波成分；螺栓松动故障转子系统简化力学建模时，是否考虑陀螺效应对谐波特征也有较为明显的影响。该研究能为该类故障转子系统的监测和诊断提供参考。     

三脉冲冷原子陀螺仪中基于内态演化的拉曼光光强补偿算法

由于在复杂环境中拉曼光功率不稳定会导致原子脉冲的宽度发生改变,从而影响陀螺仪的测量精度。通过对冷原子干涉仪的干涉全过程进行建模,计算得出了陀螺仪在拉曼光改变情形下输出相位的解析表达式,即建立了拉曼光在非近共振条件下强度变化时陀螺仪的输出值与外界载体运动之间的关系。与此同时,基于该解析表达式提出了一种对拉曼光光强的补偿算法,能有效提升原子陀螺仪在复杂环境下的系统稳定性。通过光强调制实验验证了该算法的有效性,补偿后系统输出长期稳定性提升了33%。     

微电子机械系统的发展与应用

在介绍了微电子机械系统的起源和特点的基础上，对微电子机械系统的加工、封装测试、及应用进行了较全面的论述，提出和展望了其广阔的发展前景。     

利用模糊系统实现解决最小时间喷射问题的非线性反馈控制律

目标 通过模糊逻辑，为非线性动态系统设计一种整合优化反馈控制律的新技术。 设计 方法 处理 在研究闭合回路模糊逻辑制导过程中，为了训练该模糊系统，本文推荐的方法是采用了各种非线性系统的开环优化控制解法，经过规定一套与系统状态有关的非量纲变量，从而完成这项目的研究。 各种发现 对于研究非线性问题，闭合回路模糊逻辑制导可以产生出闭合回路控制律，因为推荐的模糊结构不受该系统各方程式的限制，用于其他非线性系统也有处理能力。在常规状态下引入非量纲变量，提高了模糊训练的成果，同时对其它没有得到训练过的场景，为了得出精确解法，必要的模糊法则的要素也减少了很多。 创新和价值 在太空飞行器的制导和控制方面，有许多复杂的非线性问题，对这类系统来说，即使是开环的又是无噪声离线的情况，优化控制律的测定仍然是一项困难的工作，另一方面，闭合回路的开环优化控制解法，主要寄希望于在实际的工作环境中，它们的鲁棒性特征，所以这些特征更加适用于在线使用，但是对于复杂的各种非线性系统却不被认同。尽管在这类系统中，已经有少数科学家从事非线性优化控制领域和模糊逻辑的应用，但是还没有涉及到闭环优化模糊控制器，对可以在许多航天飞行器上的各种非线性系统，本文对优化反馈控制律的确定阐述了一种全新的策略。     

基于非线性压缩变换的纤维增强复合薄板非线性阻尼的时域测试方法

提出了基于非线性压缩变换的纤维增强复合薄板非线性阻尼的时域测试方法。基于非线性压缩变换构造了理论分析信号,并推导获得了复合结构系统非线性阻尼的表达式,明确了从时域测试角度获取非线性阻尼参数的理论原理。编写了Matlab算法,并用数值算例证明了该算法的正确性。总结并概括出一套合理、规范的测试流程,并对TC500碳纤维/树脂基复合薄板进行了实际测试。实践证明,利用所提出的方法可以有效获得复合薄板在不同衰减时刻对应的阻尼参数,该方法可以用来定量评价不同振动幅值及频率下复合结构的非线性阻尼特性。      

带非线性支撑的转子有限元模型求解方法

用数值方法研究了非线性支撑的柔性转子系统的动学行为,提出了一种将有限元与非线性支撑结合的模型和求解方法。利用有限元法(FEM)构建转轴和转盘部分的模型,通过矩阵进行组合;利用离散元方法对包含滚动轴承和挤压油膜阻尼器(SFD)的支撑部分进行建模,此部分包含4个单元,分别为轴承内圈、外圈、SFD内圈和支撑鼠笼。有限元部分和离散元部分通过轴端节点相连,仿真过程中轴端位移传递给非线性支撑部分,支撑部分通过位移计算得到的非线性力反过来作用于有限元转子轴端部分。为了耦合求解有限元转子和非线性支撑组成的数学模型,提出了一种综合的迭代求解方法,克服传统的有限元求解方法对轴端隐性非线性支撑的求解局限性。由于转轴部分采用了Timoshenko梁单元建模,对比与简单转子模型,可以考虑陀螺力矩和轴的柔性特征,更能体现非线性支撑对振动真实影响。在建立的20个轴单元的有限元转子模型中,非线性响应更多体现在靠近非线性支撑的节点1和节点21处,响应频谱中靠近轴端的节点能体现出滚动轴承的2倍和3倍变柔振动频率。     

非线性刚性转子系统振动的主动控制

基于转子系统的非线性振动理论,提出了一种通过控制支承刚性的非线性“软”、“硬”特性减少转子通过临界转速时振动的方法。计算和实验结果均表明该方法可大大地减少转子通过临界转速时的振动。     

新型光纤加速度计系统

这篇论文陈述了一种用于较大型号结构振动的小型光纤加速度计系统。该系统由一个（或多个）感应头以及一个用于驱动传感器和程序感应数据的控制单元构成。此感应结构是建立在一种具有波动光栅现象光纤的新型综合，该测算结果是精密的且可靠的。加速度系统光纤样机能够成功的被开发研究，它包括一个感应头，一个低功率控制单元以及一个具有唯一高性能波动光栅加速度信号器的软件包装。总之，在这篇论文中自由振动和振动带测试被运用于区别认识感应系统的动力特征和展示该系统的高性能。     

激光陀螺锁区测试系统

介绍了激光陀螺仪的原理和应用，以及激光陀螺仪自锁效应产生的机理。重点研究了激光陀螺仪锁区测试系统的设计和使用方法。本文所研究的激光陀螺锁区自动测试系统是由计算机控制的智能化测试设备，通过与被测产品激光陀螺在电气上直接连接，能够自动完成对激光陀螺锁区的测试工作，并记录测试结果。该测试系统具有良好的可维护性和可开发的适应性，使用安全、可靠、高效。     

基于加速动态拉格朗日法的摩擦片阻尼分析

提出了一种可用于增强薄壁结构阻尼的波纹形片状干摩擦阻尼器，并利用一种改进的非线性动力学计算方法对其稳态响应特性进行了分析。首先通过两重减缩使非线性系统自由度变成接触节点间相对位移的形式从而降低矩阵规模，在高阶谐波平衡法的基础上引入了速度型动态拉格朗日法，并通过提供解析形式的雅克比矩阵来提高计算效率与数值稳定性，从而构成了用于预测非线性系统强迫响应的算法。在一个集中参数模型上用切向/法向刚度法与时域推进法这两种主流非线性计算方法对本文算法的合理性进行了验证。利用该算法对带有波纹形阻尼器的薄壁板结构进行分析，结果表明，摩擦片对薄壁板有很好的振动抑制作用，在质量仅占主体结构0.6%的情况下，能够使共振峰值下降75.4%。该算法表现出较高的计算效率，减缩模型使用和解析雅克比矩阵的引入使CPU时间减小到原来的0.5%以下。     

倒立摆系统的建模与积分滑模控制

在研究了倒立摆系统动力学模型的基础上,提出了一种积分滑模变结构的控制方法。通过设计积分性质的非线性滑模面,可以减少系统静差,提高控制精度,系统鲁棒性能获得了很好的保存。仿真证明,该方法能够在较短时间内实现系统的稳定,提高系统的控制精度,使倒立摆系统具有更高的稳定性和鲁棒性。     

基于正规形法的结冰飞机着陆阶段非线性稳定域

结冰导致飞机飞行包线缩小、对飞行安全产生严重威胁,研究结冰后飞机非线性稳定域对边界保护系统的设计和飞行安全的提高极其重要。以某型运输机为研究对象,考虑飞机非线性气动特性建立飞机纵向非线性模型并进行增稳控制补偿设计;然后通过流形和正规形理论刻画结冰飞机纵向非线性稳定边界并得到稳定边界的解析表达式,通过仿真的手段验证了正规形理论确定的稳定边界和解析表达式的有效性和准确性。最后,分析了飞机着陆过程中,结冰因子对结冰飞机稳定域的影响以及结冰飞机发生事故的机理。研究结果表明,轻度结冰使飞机非线性稳定域缩小;重度结冰导致飞机稳定性发生改变;在未察觉飞机结冰的情况下,飞行员的常规操纵会使飞行状态超出结冰飞机的非线性稳定域、导致飞行事故。研究结果可为飞机结冰后的边界保护提供一定的参考。     

考虑机翼几何非线性的气动弹性建模与分析

大展弦比柔性机翼结构重量轻、气动效率高,广泛应用于高空长航时无人机(UAVs)。飞行过程中,这类机翼在气动力作用下发生大变形,线性结构模型不再适用,需要建立考虑几何大变形的结构模型。采用牛顿力学方法推导了考虑结构几何非线性的机翼结构动力学模型,该方法推导过程简洁、物理意义明确,可以与Hodges基于哈密顿原理的推导方法相互补充,相互验证。为了能够更准确地求解大展弦比柔性机翼的非定常气动力,建立了能够考虑机翼三维效应且适用于机翼空间大变形的非定常气动力模型。基于建立的非线性结构模型和非定常气动力模型,采用松耦合方法建立了非线性气动弹性模型,并通过算例验证了气弹模型的准确性。研究结果表明,大展弦比柔性机翼颤振速度对来流迎角和机翼的展长均较为敏感;当来流速度大于颤振速度时,由于几何非线性,机翼振动并未发散而是形成稳定的极限环振荡(LCO);随着来流速度进一步增加,机翼再次穿过临界稳定点,由不稳定系统变为稳定系统,直到随着速度的增加系统再次达到临界稳定状态。     

几种非线性特性对变结构控制系统的影响研究

变结构控制(滑模控制)具有使系统在有限时间收敛、精确跟踪、对参数不确定性和外界干扰具有不变性的特点,它在控制对象模型不精确的情况下可以维持系统的稳定并能保持良好-致的性能,而且设计方法简单.然而在实际应用中变结构控制器将经受种种非线性特性对变结构控制系统的影响,文章简单分析了饱和、死区和时间滞后几种非线性特性对变结构控制系统的影响,并给出了仿真结果.     

支撑随机刚度参数模拟试验装置的设计

利用电磁力随电磁场强度变化而改变的原理,设计电磁支撑与机械支撑并联的试验装置,实现机械系统支撑刚度参数随电磁场强度的变化.通过对试验装置数学模型的研究和线性化分析,给出了通过控制电流的随机改变实现机械系统支撑刚度参数随机变化的四个设计准则.线性化准则可保证机械系统支撑刚度的线性特性;线性随机准则能确保支撑刚度参数与随机控制电流间的线性关系;随机分量显著准则使得支撑刚度具有明显的随机特征,便于试验研究;综合刚度为正的设计准则,能够保证试验系统的稳定性.根据这些设计准则,制成了具有随机刚度支撑参数的模拟试验装置.试验表明,使用该试验装置可以较好地实现支撑刚度参数的随机模拟.      

求解非线性代数方程组的一种建议方法

飞行动力学研究中常遇到的求解非线性代数方程组的问题，现提出一种求解实函数非线性代数方程组的组合迭代方法，以多步交替使用的方式将梯度下降法和拟牛顿代法结合起来，综合两者的优点，组成一种对大范围内偏离精确解的任意初值均能收敛，且有一定收敛速度的迭代法，通过算例，对三种方法进行了对比和分析，计算结果证明，该方法是优越的。     

高超声速飞行器非线性纵向运动稳定性研究

针对研究高超声速飞行器飞行动力学稳定性时忽略方程非线性影响的问题,建立了保留非线性特征的六自由度动力学方程组和非线性活塞理论耦合模型。研究了初始迎角和活塞理论非线性项对高超声速飞行器纵向稳定性的影响,并在稳定巡航中施加瞬时扰动,分析其姿态响应。仿真结果表明:高超声速飞行器姿态收敛速度比常规低速飞行器慢很多;对迎角施加扰动后,飞行器姿态变化主要影响短周期模态,且偏离平衡位置越远,收敛越快;改变气动力非线性项时,其姿态变化主要影响长周期模态,且收敛较慢;两种扰动均对振荡周期无明显影响。     

一种带有数字力反馈的宽动态范围的绝缘硅MEMS陀螺

本文描述的是一种硅绝缘体(SOI)的微电子机械系统(MEMS)的研究探索和原始的测试数据，它是一种振动角速率传感器，主要用于高超音速、小直径导弹和炸弹，SOI角速率传感器(即陀螺)主要用在宽动态范围和刚性环境中，它吸收了深度离子蚀刻反应得到的质量块和特征尺寸的优点，主要的研究集中在开发对称的装备结构以及多点的σ-δ力反馈控制，其目的是为了增加动态范围和减小对环境参数的灵敏度，包括温度、振动和恒定的Z轴负载加速度．有一个样机，单层MEMS芯片，结构是一个质量块被放置在一个三重模块去耦对称的悬挂系统中，经过了装配和调试，模块去耦悬挂系统，对每一个疏状驱动，只允许它在一个平面内运动，即一个自由度，所以削弱了因为振荡轴的不规则排列引起的误差，另外悬挂对称结构经过工艺处理和温度变化保持匹配的振荡模块频率，在不连续的时间控制回路中有最大的动态范围，附属于该悬挂系统的是它们的线性模式的疏状驱动的工作状态，利用这些条件执行机构削除了偏差，在控制回路中减小了非线性度．在一个开环的结构中这些设备的速率传感器性能得到了验证，并且有一套设备在高超音速导弹样机中进行了飞行试验，目前的研究将是通过前置优化减少随机游走，增加一个激励控制回路改善偏置稳定性，和采用数字反馈回路增加动态范围，本文讲述SOI为基础的角速率传感器的最近研究成果和原始测试数据。     

轴系非线性振动解析模型研究

针对高速柔性轴系振动中线性与非线性的耦合作用，定义了非线性尺度因子ε，构建了轴系振动耦合作用模型.该模型拓展了经典线性模型的研究思路，重点探讨轴系的非线性响应.应用多尺度法推导了转子非线性振动的通频解析解的Fourier级数形式，同时给出了非线性固有频率和基频近似频响方程（FRE）.通过实验验证了同尺度条件下（ε=1），通频解析解及基频近似频响方程的非线性特性，以及解析耦合振动模型与通频解析解的合理性和有效性.