含间隙全动舵面的非线性颤振模式及被动抑制方法

间隙非线性环节广泛存在于飞行器的结构当中，由其引发的极限环振荡（LCO）往往造成结构的疲劳破坏，但目前关于全动舵面非线性颤振机理和被动抑制方法的研究相对较少。针对典型含扭转间隙小展弦比全动舵面开展分析，提出了2种典型的非线性颤振模式，并探索相应的非线性颤振被动抑制方法。基于描述函数法和活塞理论建立舵面的动力学模型，考虑到间隙非线性环节导致刚度降低的效果，计算对比了2种不同扭转刚度下全动舵面的非线性颤振特性，进而提出了2种不同的非线性颤振模式，其中，模式Ⅱ不存在稳定的极限环振荡过程，可以有效抑制低于线性颤振边界的极限环振荡问题；研究了舵面根部弯曲扭转刚度和质量特性对非线性颤振模式和极限环初始动压的影响，提出相应的非线性颤振被动抑制策略。针对所提算例，数值计算结果表明：通过调整舵面根部弯曲扭转刚度或质量特性可以提高极限环初始动压，甚至改变非线性颤振模式，从而达到非线性颤振抑制的目的。     

小展弦比有限厚度舵面颤振特性分析

摘要： 舵系统是超声速再入飞行器机动飞行过程中对姿态进行控制的重要部件,其颤振特性分析是保证型号研制及飞行试验成功的关键环节.本文用当地活塞流理论对舵面颤振特性进行分析,首先建立舵系统动力学方程,确定舵面颤振临界边界计算方法,然后通过有限元分析和模态试验确定不同舵偏角度及不同加载量级组合工况下舵面模态参数,最后通过颤振分析确定舵面颤振临界参数,为舵系统结构方案设计及优化提供技术支撑.     

电动舵机模块化建模及动刚度仿真

颤振是一种危险的气动弹性失稳形式,舵机动刚度对舵系统的颤振特性具有不可忽视的影响,因此舵机的精确建模与仿真分析十分有必要。针对此问题,提出了一种电动舵机模块化建模方法及动刚度计算机模拟方法。以“直流电机-减速齿轮-滚珠丝杠-拨叉副”典型结构的电动伺服舵机为对象,将其分解为具备核心功能的子模块,充分考虑了实际结构中可能出现的主要非线性因素,再根据子模块之间的连接关系来搭建整体的舵机模型。基于该舵机模型,提出了利用步进正弦扫频信号激励、最小二乘法数据处理得到动刚度的计算方法,并以某舵机为算例,开展了舵机主要线性参数及非线性因素对舵机动刚度影响的研究。电动舵机模块化建模方法通用性好,便于不同舵机的拓展。电机转子阻尼、减速器的传动比以及输出轴处的阻尼对舵机的动刚度影响很大,间隙、接触刚度和摩擦这3类非线性因素对舵机的动刚度特性也具有重要的影响。      

弹性大惯量电动舵系统颤振抑制

针对某型无人机弹性大惯量电动舵系统的颤振影响因素,分析了传动刚度、间隙、惯量、阻尼对系统的影响。首先,通过对颤振现象产生的机理分析,定位了颤振产生的原因。其次,通过仿真模拟,分析了双惯量系统的颤振影响因素。最后,通过现场试验验证,认为通过合理增加舵机阻尼与修改控制算法,可以改善连接机构弹性振动、负载大惯量等因素带来的影响。在控制算法中采用输入整形器,有效地抑制了特定方波指令下的舵面颤振。通过试验验证,改进后的舵机抑制了弹性大惯量带来的颤振问题,消除了舵面的残留颤振。     

考虑舵机动力学的舵系统颤振特性分析

飞行器舵面的颤振特性与舵机动态特性有很大关系.提出了2种考虑舵机复刚度颤振分析的工程分析方法,第1种方法思想是对舵面和舵机的耦合系统(下文称舵系统)模型在各种来流速度下进行状态矩阵的稳定性判断,称为时域方法;第2种方法是将舵机复刚度特性包含在频域颤振方程中,使用改进的V-g法求解该方程得到舵系统颤振特性,称为频域方法.通过对舵系统模型算例的数值计算验证了方法的可行性;发现传统的按扭转频率进行舵机刚度等效的舵面颤振工程计算方法的结果相对于该方法有较大差别.说明当舵机动力学特性较差时,在舵面颤振分析中考虑舵机复刚度特性是很有必要的.     

高超声速下翼面的热颤振工程分析

针对高超声速下翼面的结构、气动和热的耦合动力学问题,提出了热颤振分析的分层求解思路.首先分析结构在热环境下的固有动力特性,然后应用van Dyke活塞理论计算高超声速非定常气动力,最后采用p-k法进行颤振求解.对某高超声速全动舵面和小展弦比根部固支翼面进行了热颤振的分析与比较.计算结果表明,受热后结构的动力学特性和颤振特性均可能发生变化,尤其对于小展弦比根部固支翼面,由于热效应对其扭转刚度影响很大,从而导致弯扭耦合型式的颤振临界速度大幅度下降.     

充气式机翼的颤振特性分析

充气式机翼的结构刚度由内充气压决定,其颤振特性需要建立静、动力学耦合的分析方法.机翼结构刚度和固有振动特性需要在静力分析基础上计算,进一步计算非定常气动力,从而采用传统的颤振计算方法分析其颤振特性.针对某一充气式机翼采用膜单元建立了有限元模型.在不同内充压条件下,对充气机翼进行了静力分析得到其结构刚度;然后对机翼进行模态计算和颤振分析.研究表明:各阶模态的频率随内充气压的升高而升高;除典型的弯扭模态外,充气机翼的弦向弯曲模态频率较低;充气机翼的颤振形式除常规的弯扭模态耦合外,弦向弯曲模态同样会发生颤振;机翼的临界颤振速度随内充压的变化近似呈分段线性变化;临界颤振模态及耦合分支在一定气压范围内保持不变.      

考虑结构刚度不确定性的概率颤振分析

针对舵面颤振系统中存在的不确定性问题,考虑参数的随机分布,利用蒙特卡罗模拟（MCS,Monte Carlo Simulation）和非浸入式随机多项式（NIPC,Non-Intrusive Polynomials Chaos）两种方法进行概率颤振分析,以对结构稳定性和颤振风险进行评估.选取一个存在非线性因素的典型三维舵面作为研究对象,考虑舵机弯曲刚度和扭转刚度两个不确定性变量均满足高斯分布,基于MCS和NIPC两种方法开展不确定性定量分析工作.MCS方法选取大量的样本进行颤振计算,而随机多项式方法利用配点法建立代理模型,以此获得大量的颤振信息,进而得到舵面系统发生颤振的危险速度区域及给定速度下系统发生颤振的概率,并对两种方法的置信水平、计算精度和计算效率进行了比较分析.结果表明,以不确定性量化为基础的概率颤振分析方法能充分利用不确定参数的概率信息对结构系统的颤振风险做出评定.      

导弹滚转通道气动伺服弹性稳定性分析

弹性飞行器可能由于结构、气动及控制的不利耦合引发气动伺服弹性失稳,为此分析了带有差动舵面及控制系统的细长体导弹滚转通道气动伺服弹性稳定性.导弹的广义非定常气动力采用气动导数方法计算,动力学方程考虑了弹体的刚体滚转运动和一阶弹性扭转振动.由导弹动力学方程求解得到滚转通道的开环传递函数,并应用Nyquist方法进行闭环系统稳定性分析.算例表明,若控制系统设计不当,系统有可能在弹性振动频率处发生气动伺服弹性失稳.      

开裂式阻力方向舵流固耦合机理分析

为了探究阻力方向舵开裂状态下的流场形态和流固耦合运动机理,采用计算流体力学(CFD)方法开展了不同开裂角下的二维阻力方向舵的流场计算。基于动力学模态分解(DMD)方法对各流场进行模态分解,分析了各模态的流动特征及频率变化。结果表明,在20°开裂角的范围内,机翼绕流的流场结构以开裂区内的驻涡及后缘脱落涡为主,流场各阶模态频率随来流速度的增大而增大,随开裂角的增大而减小。同时,对不同开裂角的二维翼型开展了流固耦合计算。结果表明,随着折减速度的增加,系统的流固耦合运动形式由涡致振动发展为流动失稳,系统的失稳边界随着开裂角的增大而提高。     

热致混合式转子变结构与动力学特性

航空发动机、汽轮机等大型旋转机械多运行在复杂多变的高温环境中,机组主转子系统在工况下因热膨胀而产生结构变化,进而影响运行特性。首先,考虑盘鼓混合式旋转构件与转轴相比具有高刚度特点,将其结构简化并建立单厚盘转子动力学模型;其次,针对热膨胀引发的系统变结构特征,以曲线拟合结合Hermite插值法描绘出圆柱厚盘窜动到任意位置时的转轴弯曲情况,根据弯曲轴所储存的弹性势能运用数值方法折算出对转盘所提供的恢复力及转轴的弯曲恢复刚度;最后,通过数值分析热膨胀诱发的轴向窜动对厚盘转子系统进动频率、临界角速度和振动响应幅值等动力学特性的影响,验证了热膨胀诱发的转轴窜动因素是影响厚盘转子系统动力学特性的主要因素之一。      

间隙非线性气动弹性颤振控制

研究了亚音速不可压来流中二元机翼气动弹性颤振主动控制问题.采用Theodorsen准定常气动力建立俯仰方向含有间隙非线性的气动弹性动态方程,然后基于状态依赖Riccati方程推导了非线性颤振控制律.假设只有俯仰角位移和控制面偏转位移可以直接测量,状态空间中的其它变量通过所设计的状态观测器进行了估计.仿真结果显示,观测器可以快速准确地对非直接测量变量进行估计,系统状态变量与控制变量都能够迅速地收敛于零点,表明所设计的控制律可以有效地实现对间隙非线性二元机翼颤振的抑制.      

基于误差四元数分解的刚体姿态跟踪滑模控制

对于转动惯量参数时变和参数不确定以及外部扰动和作用力矩方向偏差的刚体姿态跟踪系统,文章提出了采用滑模控制的方法。利用误差四元数建立数学模型,通过误差四元数分解进行反馈线性化得到指令角加速度;设计滑模控制律,实现指令角加速度跟踪。仿真结果表明,文章所求控制律对刚体姿态跟踪系统具有稳定性和鲁棒性。     

基于风致振动机理的压电发电机实验及仿真研究

随着低功耗微机电系统的发展,越来越多的微型发电机涌现,其中压电发电机为典型的代表。针对一种基于风致振动机理的柔性压电发电机进行了实验及仿真研究：建立柔性悬臂梁流固耦合仿真模型,分析柔性梁在流场中的力学环境及颤振机理;探究压电悬臂梁在亚颤振临界风速及超颤振临界风速条件下电压输出特性及其给电容充电的性能。结果表明,当风速低于颤振临界速度时,单个压电悬臂梁输出电能较小,接近于零。当风速高于颤振临界速度时,输出电压为类正弦曲线,峰值可达20V。在超颤振临界速度条件下,单个压电悬臂梁为10μF电容充电10s可达22V。微型压电发电机为低功耗微机电系统设备供电成为可能。     

基于光学自准直原理的喷管角度偏差测量方法研究

提出了一种基于光学自淮直原理的喷管角度偏差测量方法,通过专用靶标将庭拟的喷管轴线等效替代为靶标轴端反光镜的法线,实现发动机喷管基淮孔轴线空间角度偏差的快速准确、实时測量,及时提供测量数据,有效保证零件、部件和发动机总装的质量一致性和可 靠性。利用该方法研制了一套发动机多喷管轴线角度偏差自动测量装置并进行了试验验证,结果表明该装置测量精度与三坐标表测量机的测量精度按近,符合测量误差分析,满足使用要求。     

压电类智能梁元的优化布局

分别对具有无限小长度驱动器的悬臂和简支智能梁的一阶模态和二阶模态进行了具体的分析和计算,确定了驱动器在梁元中的最优布局,总结了有关驱动器在梁元中布局的一些基本性质,并从解析的角度对驱动器的最优布局点给予解释.由于以上有关驱动器最优布局的分析是在忽略驱动器的长度的假设基础上进行的,所以又对有限长度的驱动器的布局问题进行了初步的探讨.