基于干扰观测器的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法

由于强非线性、强耦合和强时变等特征,柔性空间机器人的稳定精细控制问题一直是一个重大挑战。轻质小型化机器人受空间及重量限制,其关节柔性通常不可忽略,这部分柔性主要是由谐波减速器和力矩传感器的柔性造成的。传统的运动学控制在空载时能保持稳定,但是对大负载、快速运动时的适应性差,严重时机械臂抖动剧烈甚至发散。针对以上特征,提出了一种基于非线性干扰观测器和动力学极点配置的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法。仿真实验证明,该方法可以有效地抑制柔性激振,保证响应的快速性和准确性,同时有较好的鲁棒性,能够适应不同类型扰动的影响和末端环境柔顺控制的要求,对工程应用具有一定的参考意义。     

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。     

喷水对风扇性能影响的数值研究

为了获得潮湿环境对发动机性能的影响,开展了多级轴流风扇在来流含水情况下的性能研究。首先,基于液滴蒸发和冷凝相变过程,构建了解决气液两相间的热量与质量转化的两相流模型。该模型是由气相和液相的质量、动量和能量守恒方程及它们的状态方程组成。其次,在两相流模型的基础上,采用五阶龙格库塔法求解模型方程组,计算水相变过程对风扇性能的影响,并用平均流线法模拟气流通过风扇时的流动特性。最后通过耦合两种方法,分析喷水对风扇流量、压比和温比的影响。结果表明,喷水能提高风扇的进气流量和压比,最高分别可达到4.24%和2.51%,能使定子温比最大下降4.88%,转子温比先下降后升高。     

轴对称矢量喷管偏转效率的快速分析方法

提出了一种骨架与A8滚子间柔性线线高副约束的简化算法,在该算法和模态综合法相结合的基础上构建了轴对称矢量喷管（AVEN）的刚柔耦合动力学模型,并遵循力的叠加原理和能量等效原则实现了热态气动载荷的等效简化和实时加载。基于该算法的仿真结果与实验误差约为4%,具有较高可信性;而与采用接触的模型对比仿真表明,二者精度相当,而前者更加稳定高效,能将单工况的计算时间从三天缩短到半小时;针对轴对称矢量喷管的某中间和加力典型工作状态,采用该算法模型对比分析了关键件柔性对轴对称矢量喷管偏转效率的贡献,最终发现：A9环是偏转效率的主要影响因素,占比超过94%。仿真结果表明,该算法模型本身就是一种效率与精度兼顾的稳定仿真方法,而A9环对偏转效率的影响占比表明,使用仅考虑A9环柔性的刚柔耦合模型将是轴对称矢量喷管偏转效率仿真的一种更加高效的快速估算方法。     

动压式指尖密封工作状态及其影响的流固耦合分析

建立了动压式指尖密封流固耦合的模型和计算方法,对转子起动时该密封的工作状态进行了流固耦合仿真;研究了泄漏率、耦合面径向力随时间的变化情况;提出了稳态下评价该密封性能的参数——泄漏率和耦合面径向力;分析了工况条件及流层参数对性能参数的影响.研究发现:转子起动至稳定阶段时,泄漏率迅速减少达到稳定状态,耦合面径向力达到最大值后有所降低并最终趋于稳定,满足密封低泄漏、非接触的工作要求.该工作为开展动压式指尖密封性能优化奠定了基础.      

柔性机翼阵风响应与被动减缓研究

高空长航时无人机的机翼展弦比大、柔性较强,飞行过程中极易受到阵风的影响。文章以几何精确本征理论建立结构模型,耦合 Pitt-Peters动力入流理论建立柔性机翼非线性气弹模型,研究了柔性机翼阵风响应以及翼尖被动阵风减缓效应。采用空间 -时间平行的有限元离散方法,将气弹方程转化为一阶微分代数方程,Newton-Raphson和 Generalized-α算法分别用于静态变形和动态响应的求解,通过算例研究了离散阵风载荷下柔性机翼的阵风响应,结果表明翼尖被动阵风减缓装置对机翼变形有明显的减缓效果。     

中心刚体-柔性悬臂梁系统的动力特性研究

对中心刚体-柔性悬臂梁系统的动力特性进行研究。首先采用Hamilton原理和有限元离散化方法,给出该系统的一次近似耦合模型以及相应的KED解耦模型,然后通过数值仿真对该系统的动力特性进行研究。研究中考虑了2种情况:中心刚体的转动惯量远大于柔性悬臂梁的转动惯量的情况和中心刚体的转动惯量接近柔性悬臂梁的转动惯量的情况。研究结果显示,传统的零次近似模型在处理大范围运动为未知的刚柔耦合动力学问题时同样存在失效的可能,而一次近似模型能够对系统的动力学行为进行正确的数学描述。当中心刚体的转动惯量远大于柔性悬臂梁的转动惯量时,一次近似模型的结果与零次近似模型的结果之间存在较小偏差;但当中心刚体的转动惯量接近柔性悬臂梁的转动惯量时,零次近似模型将导致错误的结果。     

柔性铰链放大式超磁致伸缩致动器磁弹耦合模型

针对超磁致伸缩致动器(GMA)输出位移有限的问题,采用柔性铰链放大机构放大GMA输出位移,利用材料力学理论、拉格朗日动力学方程和有限元法对柔性铰链放大机构的位移放大倍数、动力学特性进行了分析.结合Jiles-Atherton(J-A)模型和二次畴转模型建立了柔性铰链放大式GMA的磁弹耦合模型,并在软件AMESim&Simulink联合仿真环境中进行了数值仿真.制作了柔性铰链放大式GMA样机,对其进行了动态性能实验,仿真和实验表明:经过放大,柔性铰链放大式GMA输出位移可以达到0.4mm;频带宽超过100Hz;所建立的磁弹耦合模型是有效的.      

运动导弹激励下柔性导轨振动的多体动力学分析法

针对导弹轨式发射采用柔性接触进行动力学建模后计算稳定性差、结构复杂时计算规模大的问题,提出了一种用能随柔性导轨变形的柔性点线约束来替代导弹定向钮与导轨之间接触关系的建模方法;基于有限元模型、单段导轨多体动力学模型和多段拼接导轨多体动力学模型的模态和静态对比分析,验证并消除了应力刚化效应的影响;在考虑导轨应力刚化效应的前提下构建了运动导弹激励下柔性导轨振动的多体动力学模型。仿真结果表明,该方法不仅可以有效解决柔性体接触算法计算量大、计算稳定性差等问题,而且也具有较好的仿真精度。该方法可为复杂导弹发射系统发射过程的多柔体动力学建模提供可行的简化途径。     

基于升速响应信息柔性转子系统的多阶多平面瞬态动平衡方法

利用升速响应信息进行柔性转子多阶、多平面瞬态动平衡方法研究.在提出柔性转子越过各阶临界转速时平衡校正量最优值算法的基础上,建立了以3次起车即可实现同时抑制多阶不平衡达到整体平衡的方法.通过所提出的平衡方法分别对双盘转子模型前2阶不平衡和三盘转子模型前3阶不平衡进行动平衡仿真研究,结果显示:该方法能在整体上有效控制转子系统的振幅波动,越过临界转速时的振幅减幅率普遍在80%左右,最低可达到60%以上.      

高强太阳光无线能量传输能量供给平台设计

为了满足微小卫星群落编队飞行技术快速发展的需要,设计了一种能量供给平台.该平台中菲涅尔透镜（太阳能聚集装置）收集空间太阳光,并将聚焦光能耦合进光纤束（柔性转向装置）以进行传输和换向.由3个薄透镜组成的透镜组（二次发射装置）将出射光线整合成高强平行光束进行光能传输,将光能以高强太阳光形式无线传输至航天器群落,实现能量供给.该能量供给平台能量收集传输效率可达到70%以上,在提高效率、降低成本方面具有一定的优越性.      

柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合静、动态特性

高空长航时(HALE)飞机结构细长、具有柔性,在常规飞行条件下可发生结构大变形、气动失速以及结构低频振动与刚体运动耦合,这些现象显著影响其静、动态特性.基于几何精确完全本征运动梁模型、ONERA动失速气动力模型和六自由度刚体运动模型,建立了考虑几何非线性、动失速和材料各向异性等因素的大展弦比柔性飞机非线性气动弹性与飞行...     

推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制

为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性,提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型,开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征,并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型,分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪,设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比,大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形,当载荷较大时,配平构型近似“U”形,此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明:大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外,纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响,否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。      

基于降阶模型的不同厚度翼型颤振边界预测

为了解决CFD/CSD计算效率低的问题,基于CFD技术,构造降阶的非定常气动力模型,并耦合结构运动方程,建立频域/时域气动弹性系统ROM,采用线性自回归滑动平均模型的系统辨识方法,分析了气动弹性系统的标准模型Isogai二维翼型的颤振边界。结果表明,在翼型最大厚度所在位置保持不变时,计算不同翼型厚度下对应的颤振边界得出,随着翼型厚度增加,跨声速凹坑逐渐左移。因此,当翼型最大厚度所在位置保持不变时,为了达到提高颤振速度的目标,通过采用该方法的计算结果来调整机翼翼型厚度,提高机翼对飞行环境的适应能力。     

微重力下离心式锥形两相洗衣机流场的数值模拟研究

针对空间站长期在轨作业时为航天员提供干净衣物的需求,提出了一种适用于微重力环境的离心式锥形两相洗衣机方案。利用FLOW-3D流体力学软件基于VOF方法对微重力环境下该洗衣机方案静态流场分布、洗涤筒/波轮旋转时的动态界面形貌、波轮和洗涤筒对流场力的作用等关键的微重力流体管理问题开展了数值分析,结果表明:洗涤筒的交替转动使流场产生翻转效应,波轮与洗涤筒同向交替运动对流场产生更大的作用力;在气压平衡口安装一种防爬的楔形结构,洗涤过程采用波轮和洗涤筒同向交替转动、脱水过程洗涤筒单向旋转,洗涤效果更好。     

视觉测试系统校准装置耦合补偿控制

本校准装置是用来校准用于测试火箭喷管三维运动的视觉系统,为其提供标准的静态和动态运动参数.基于动量矩定理和欧拉动力学方程,推导出了双轴摆动的非线性耦合动力学模型,分析了轴间转动惯量耦合、速度耦合及力矩耦合作用规律.通过SIMULINK仿真验证模型参考自适应系统有效地补偿了耦合力矩的扰动.提高了联动时内框轴的速率精度.     

基于双向流固耦合方法的柔性变结构喷管性能分析

为研究柔性变结构喷管的高度补偿潜力,本项研究利用ANSYS平台,基于双向流固耦合方法,对柔性变结构锥型喷管进行数值模拟,分析了飞行高度和柔性材料的弹性模量对喷管性能的影响。模拟结果表明,随着飞行高度的升高,柔性喷管变形加剧,喷管内部流场呈现出膨胀波-激波-膨胀波的波系特征,喷管柔性段的最大型面变形量和壁面最大应力逐渐增大。当材料弹性模量大于100 MPa时,喷管柔性段型面变形对流场的影响将可以忽略。研究显示,该柔性喷管的低空比冲显著高于传统喷管,高空比冲仅略低于传统喷管,其6 km设计高度下较传统喷管有1.462%的高度积分比冲增益。     

基于Simscape模型的航空发动机系统安全性分析方法

针对航空发动机系统安全性分析中的耦合情况,研究基于Simscape模型的航空发动机耦合故障建模和安全性分析问题。在基于模型的安全性分析(MBSA)故障拓展一般特点的基础上,分析了Simscape环境下进行故障外部拓展和建模语言内部故障拓展两种方式,以建立耦合故障模型。以全权限数字式发动机控制(FADEC)主燃油控制子系统为研究示例,进行独立和耦合故障形式化系统安全性分析。结果表明:航空发动机系统安全分析Simscape模型基于系统设计环境,可直接成为系统设计和安全性分析共同的工具,便于保证设计和安全性分析的一致性;该模型拓展方法和建模语言,从故障数学原理出发,对实际系统不同物理域的组件独立和耦合故障特性具有灵活和定量描述能力;由此拓展的故障模型下的安全性分析具有形式化、直观性和客观性的优势。      

基于夹具主动定位补偿的飞机柔性件装配偏差优化方法

柔性零件广泛用于航空、汽车等产品中,在柔性件的装配过程中,装配尺寸质量受零件制造、夹具和连接过程中多种偏差源的耦合影响,分析和控制难度大。提出了一种基于夹具主动定位补偿的装配偏差优化方法。首先,基于柔性件装配的受力变形分析,建立了考虑夹具法向定位误差的装配偏差模型。然后,根据上述模型,以夹具法向定位补偿量为优化变量,提出了夹具法向补偿量的优化模型和求解算法。以金属薄板装配和飞机壁板件装配为例,分别利用实验及有限元仿真分析了有无夹具主动定位补偿下的装配偏差。结果表明,夹具法向定位补偿对于减小柔性件的装配偏差具有显著效果,从而验证该优化算法的有效性和准确性。     

涡扇发动机整机环境下风扇部件气动稳定性评定方法

将基于部件匹配技术的涡扇发动机非设计点性能计算模型和基于李亚普诺夫稳定性理论的压缩部件气动稳定性评定模型有机的耦合, 实现了发动机整机环境下的压缩部件气动稳定性评定, 使得该模型成为一种实用的涡扇发动机压缩部件气动稳定性分析模型.以某型涡扇发动机为例, 计算比较了均匀进气和畸变进气时发动机整机环境和单独部件评定时风扇部件稳定工作边界的异同, 从计算结果可以看到, 均匀进气条件下, 在发动机环境下和单独部件环境下所得到的风扇部件稳定工作边界变化不大;而畸变进气条件下, 同样的进口畸变度, 发动机环境下风扇的稳定裕度损失比单独部件下风扇的稳定裕度损失都小, 即在发动机环境下评定风扇稳定性时, 风扇对进气温度畸变不敏感, 而在单独部件环境下评定时, 风扇对进气畸变比较敏感.