空中加油系统的多体动力学和CFD仿真

介绍了作者基于Fortran程序开发的一个多体动力学求解器.依托多刚体系统理论、基于绝对节点坐标(ANCF)法描述的常质量/变质量索梁单元和计算多体动力学方程组求解技术,该求解器可用于分析飞行器拖曳结构中的索-刚体约束系统的动力学问题.本文基于并行CFD求解器PMB3D的动态重叠网格功能,构建了多体动力学和计算流体力学的非定常耦合计算程序.以软式空中加油系统为例,对真实外形飞行器拖曳系统的气动-动力学特性进行了仿真研究.探讨了战斗机构型进行软式加油对接时产生的气动干扰问题,研究了受油机的接近速度和初始偏移量对对接效果的影响.     

软式加油过程中软管鞭打现象数值模拟研究

对空中加油过程中软管锥套系统产生的鞭打现象进行了数值模拟.流场计算中的空间离散采用Osher格式,紊流模型采用S-A一方程模型;运用“刚杆-球铰”模型离散方法对软管锥套系统建模,建立了软管多体系统模型并推导其运动控制方程;采用一类基于相邻单元搜索算法,通过搜寻软管节点所在加油机尾流场网格的宿主单元,建立软管微段气动力与流场的联系.运用方法对软管锥套系统的动态特性进行了仿真,结果与国内外飞行试验结果相吻合.     

空中加油复杂环境下软管-锥套动态响应分析

流场扰动下空中加油机软管-锥套的动态特性会直接影响加油任务的成功率和飞行安全。首先基于绝对节点坐标法建立了考虑截面变形和旋转的软管-锥套多体动力学模型;然后引入加油机尾流场特性数据,计算了软管-锥套不同工况下的拖曳平衡位置,计算结果与风洞试验符合性良好,验证了算法准确性,且与传统有限元模型相比,计算效率明显提高;最后研究了软管-锥套在大气紊流、阵风扰动等复杂环境下的动态响应。结果表明:软管-锥套平衡位置主要受飞行动压影响,相较于大气紊流,阵风扰动对软管-锥套稳定性影响更大。     

基于MBD-CFD的软管-锥套空中加油仿真框架

随着无人加油等新兴应用场景的出现,软管-锥套式空中加油技术近年来重新得到了航空工业界的重点关注。使用计算机数值模拟手段对空中加油系统进行流体-动力学仿真,已成为空中加油系统设计、研发和飞行测试评估中的必备手段。一方面,基于工程简化模型的软管-锥套仿真方法的数值模拟精度难以满足实际需求,另一方面,完全基于非定常计算流体力学（CFD）的耦合仿真方法计算量较大,在有限计算资源条件下难以满足快速设计迭代与多参数优化的计算效率需求。通过将多个求解层次的流固耦合分析工具有机结合,建立了基于多体动力学（MBD）和CFD的加油机软管-锥套装置的耦合仿真框架和方法。对典型加油机-软管-锥套组合体的全尺寸构型和缩比构型进行了数值模拟,通过多个算例验证了本方法的可信性。通过将非定常CFD方法与基于气动建模的尾迹流场动态插值方法结合,可将后者的计算精度提高至与非定常CFD方法相当,同时将计算量减小2个数量级以上,从而实现了计算精度和效率的兼顾。     

绝对节点坐标列式实体梁单元建模方法及应用

在多体系统动力学建模方法中,传统非等参梁单元的建模方法主要基于Euler-Bernoulli梁或Timoshenko梁理论,无法准确描述截面变形;而传统绝对节点坐标列式索梁单元虽然能够准确描述截面变形,但需引入额外描述及处理闭锁问题;与上述单元不同,绝对节点坐标列式实体单元可以通过节点坐标直接描述截面变形,避免单元变形带来的闭锁问题。本文在实体单元方法基础上,首次提出了考虑单元连续性条件和黏弹性阻尼模型的绝对节点坐标列式实体梁单元,并使用实体梁单元实现了对多体系统的建模。仿真结果表明,对比传统有限单元及绝对节点坐标列式单元,实体梁单元能够更好地表征柔性梁的非线性特性,满足大变形柔性计算的需求。     

空间站柔性展开机构仿真方法研究

空间站展开机构是典型的大型多柔体系统,其展开收拢过程涉及非线性大变形以及接触碰撞问题。首先采用绝对节点坐标法作为柔性体的建模方法,建立了梁单元的有限元单元格式,然后基于拉格朗日方法和Hertz接触理论建立了考虑接触碰撞问题的柔性多体系统动力学方程,采用向后差分方法数值求解柔性多体系统的微分代数方程,最后以自由梁、简支梁和柔性单摆进行数学仿真验证。结果表明,该方法可用作我国空间站大型柔性太阳电池翼的设计分析参考。     

空中加油系统的建模与控制技术综述

空中加油已经成熟应用超过半个世纪,但其建模与控制技术仍是航空界的研究热点与难点之一。综合大量文献,回顾了空中加油的发展历程和战略价值所在,比较研究了2种加油方式各自的优劣,总结了近年开展的系统建模和控制相关的研究成果。基于硬式加油与软式加油的功能互补之效,提出了借助研制大型运输机的契机发展硬式加油技术的观点。通过研究国内已经开展的相关工作及其不足之处,论证了开展系统建模与控制专项研究的必要性与积极意义。结合硬式加油系统的特点,提出了建模时应该综合考虑系统多刚体、多构型、强扰动与不确定性、受弹性形变与弹性振荡影响等特点,并提出了与之对应的伸缩管姿态控制、对接状态应力自动补偿、对接过程协同控制、抑制弹性振荡影响、半物理实验平台开发等关键问题。     

基于多项式混沌法的翼型不确定性分析及梯度优化设计

耦合伴随方法和非嵌入式多项式混沌法,发展了高效、可靠的不确定性梯度优化设计方法。利用伴随方程法求解目标函数对不确定性变量的导数,发展了一种梯度增强型多项式混沌法。通过亚声速和跨声速下等多种算例可以证明该方法可以提高不确定性分析的效率和精度。同时,利用基于方差分解的全局敏感性分析方法对不确定性变量的敏感性进行了量化。建立了多项式混沌耦合伴随方程的统计矩梯度求解方法,并结合梯度增强型多项式混沌法搭建不确定性梯度优化设计系统。基于该优化设计系统对二维低亚声速和跨声速翼型开展确定性及不确定性优化设计研究。优化结果显示,相比于确定性优化设计,不确定性优化设计通过合理权衡确定性性能和不确定性性能,可提高抵抗马赫数和迎角不确定性扰动的能力,同时优化性能均值和标准差。其中阻力系数均值最大可降低17%,阻力系数标准差最大可降低80%。而确定性优化设计可能导致性能鲁棒性的降低。     

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。     

全模颤振风洞试验三索悬挂系统多体动力学分析

全模颤振风洞试验需要通过软支撑系统模拟飞行器的自由飞行状态并调整模型姿态达到配平状态。参考NASA双索悬挂方案,提出了一种两电机驱动的三索悬挂系统,利用后方两索的同向/反向联动实现模型俯仰和滚转姿态的调整,利用弹簧刚度以及钢绳张力设计实现支撑频率要求。基于柔性多体动力学方法,建立了包括飞行器刚体模型、柔性索、滑轮、弹簧、气动力模型、伺服电机控制在内的复杂系统动力学模型,其中,利用任意拉格朗日-欧拉（ALE）变长度索单元描述钢绳,利用不约束物质坐标的索结点约束描述钢绳与滑轮相互作用,利用索结点物质输运速度约束描述伺服电机绞盘,利用飞行力学的气动力模型描述吹风下的气动力。基于该模型,通过小扰动响应辨识研究了弹簧刚度、钢绳张力、连接点位置等因素对支撑频率的影响规律,并分析了系统姿态调整能力,俯仰调整范围达到-12.5°~12.5°,滚转调整范围达到-45°~45°。采用滑轮处电位计测量的钢绳相对位移作为反馈信号,基于设计的控制律利用多体动力学求解器与Simulink对风洞吹风下的姿态调整过程进行仿真,模型达到配平状态,获得了吹风下的索拉力和伺服电机功率,为系统设计提供基础。     

软式空中加油受油机头波数值仿真分析

针对软式空中加油对接过程中受油机头波加剧软管锥套飘摆、降低对接成功率的问题,建立了受油机三维模型,利用Delaunay方法自下向上生成非结构网格.通过计算ONERA M6三维翼型表面压力分布和压力系数,验证了三维Navier-Stokes方程和SST k-ω湍流模型的有效性.在此基础上对不同飞行条件下受油机头波进行静态数值计算,分析了头波随马赫数和迎角的变化规律,并通过仿真解释了头波影响下软管锥套的飘摆原因,预测了对接时锥套的运动趋势.     

一种空中加油可变阻尼稳定伞设计及性能分析

为了突破传统空中加油稳定伞对于加油机飞行速度和高度的限制,设计了一种加装气动弹性支架的可变阻尼稳定伞。通过流固耦合(FSI)数值模拟,得到不同工况下的片状弹簧变形与稳定伞伞面形状,通过计算流体动力学(CFD)得到稳定伞气动力的变化趋势。根据气动力结果计算软管的拖拽形状及锥套下沉量。仿真结果表明:所设计的可变阻尼稳定伞的阻力变化量和锥套在空中位置变化范围分别降至传统稳定伞的70%和60%,能够实现阻力的自适应控制,拓宽了传统结构稳定伞适用的速度、高度范围。      

应用于超级电容储能系统的双向DC/DC变换器混沌控制方法研究

超级电容储能系统(SCESS)主要通过对双向DC/DC变换器进行控制来快速平抑直流母线电压的波动。为了抑制控制过程中所产生的一些分岔和混沌现象,提出了一种应用于SCESS的混沌控制方法。分析了该方法的控制原理,并根据非线性动力学理论建立了双向DC/DC变换器的离散迭代模型;然后设计了一种能够自动调节补偿斜率的混沌控制信号;最后对该信号作用下的异步切换函数和同步切换映射式进行了数值求解,从而绘出系统分叉图。通过仿真和试验证明,该方法能够有效抑制SCESS的分岔和混沌现象,提高了系统的稳定工作范围和动态响应速度。