阵风载荷减缓系统故障分析

阵风引起的额外载荷会引起飞机结构疲劳,降低结构使用寿命。采用非定常气动力有理函数拟合方法建立时域状态空间下的动力学系统,设计了阵风载荷减缓系统。研究了阵风载荷减缓系统3种典型故障模式(副翼偏转饱和、舵机卡死、副翼偏转延时)的力学建模方法,并对机翼在阵风减缓系统故障模式下的阵风响应进行分析。仿真结果表明,3种故障模式均不利于阵风载荷减缓系统对阵风载荷的减缓,对于一些特定情况,故障模式下的阵风载荷减缓系统不仅不能减缓阵风载荷,还会带来由副翼偏转不当引起的额外负载。     

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。     

风力机叶片旋转平面内弯曲对动力学响应的影响

采用变分渐近梁截面分析方法(VABS)精确计算旋转平面内弯曲的复合材料叶片截面特性,耦合空间一维Euler-Bernoulli梁模型,分析了不同弯曲幅度对考虑弯扭耦合特性的风力机叶片动力学性能的影响。并采用非定常叶素动量理论,考虑动态入流和动态失速模型求解叶片的气动载荷,分析了叶片前掠和后掠在相同控制策略时各风速下对气动功率的影响,以及在极端阵风条件下的气动弹性响应情况。结果表明叶片弯曲对截面特性和前几阶的固有频率的影响较小,但在扭转方向具有较大影响。同时在相同控制策略下,叶片后掠会使风力机的功率降低,但能有效降低极端阵风下的载荷波动。     

LQG控制理论在阵风载荷减缓系统中的应用

针对D ryden频谱函数,通过有理谱成形理论,建立了阵风的线性化模型。明确了阵风对飞机的扰动机理后,以某型飞机为对象,建立了包括阵风过程、舵机系统和飞机模型的纵向动力学増广模型。以该增广模型为设计对象,应用LQG控制理论,设计了阵风载荷减缓系统。仿真结果表明,该系统能有效减缓阵风对飞行过载的影响。     

飞行器气动弹性风洞试验技术综述

研究气动弹性问题的主要手段有数值计算、风洞试验和飞行试验三种,气动弹性风洞试验具有可靠性高(相比数值计算)和代价低(相比飞行试验)等优势,已成为航空航天飞行器气动弹性性能评估和校核的重要手段。以亚声速和跨声速气动弹性风洞试验技术为主,分别从静气动弹性、颤振和阵风试验三个角度,阐述了国内外在模型设计、数据采集处理、模型支撑、阵风发生装置、阵风载荷减缓等方面开展的主要研究工作,总结了气动弹性风洞试验在飞行器研制中的重要意义,并对我国未来气动弹性试验能力的发展提出几点建议。     

基于CFD降阶模型的阵风减缓主动控制研究

飞行器飞行时会受到大气紊流的影响,降低飞行品质。阵风减缓控制是改善飞行器飞行性能的关键技术。现有的阵风响应分析多以离散阵风为研究对象,对更加真实描述大气紊流的连续型阵风时域分析关注较少。采用成形滤波器方法将频域形式给出的大气紊流信号转换为时域信号。在跨声速区域内,利用系统辨识技术,基于计算流体力学(CFD)方法建立阵风激励下的气动载荷状态空间降阶模型(ROM)。为方便控制器设计,借助平衡模态法进行模型的进一步降阶。使用模型预测控制(MPC)算法通过控制操纵面偏转实现阵风减缓主动控制。以AGARD445.6标模作为仿真算例,验证基于ROM设计的阵风减缓控制律的有效性。仿真结果表明,在跨声速飞行状态下,模型预测控制器能够在满足操纵面偏转范围的约束下,对连续阵风激励下的翼根弯矩输出进行有效抑制。     

机翼的气动伺服弹性设计优化研究

以气动伺服弹性特性为约束和目标,对一个大展弦比机翼进行了结构/控制设计优化。该机翼具有双梁式结构和一个用于阵风响应减缓的主动控制面。在气动伺服弹性分析模型的基础上,建立了优化问题的数学描述。选取结构刚度和控制器参数为设计变量,以发散、无控和有控情况的颤振为约束条件,以结构重量和阵风响应组合性能为目标函数。采用遗传算法进行优化,得到的最优设计结果与原基准模型相比,机翼在满足气动弹性稳定的约束条件下,结构重量有所减轻,且阵风响应显著地减缓。     

阵风减缓系统传感器失效影响研究

阵风减缓系统可以有效降低机翼的阵风载荷,然而由于系统本身以及失效模式中存在大量不确定性,极大地增加了设计和审定的复杂程度。通过蒙特卡洛方法研究了阵风减缓系统传感器卡死失效的影响,考虑阵风输入和失效传感器的不确定性,以通用运输机模型为算例,分别在时域和频域内对1-cosine离散阵风和冯·卡门谱连续湍流的翼尖加速度响应进行了仿真计算,给出了在系统正常工作和失效时翼尖加速度最大/最小值以及功率谱密度均方根的概率分布。为阵风减缓系统的适航符合性验证及审定中系统失效影响分析提供了指导方法和技术支持。     

多舵面大型民机阵风减缓系统设计

提出用多块对称偏转的扰流片和副翼构成飞机的多舵面操作模型,采用开闭环控制相结合的控制方案,并用LQG方法实现控制律的设计和仿真,设计了一种切实可行的民机阵风减缓控制系统.仿真结果表明,所设计的阵风载荷减缓控制器能有效减缓阵风引起的飞机法向过载,实现阵风减缓.     

民用飞机阵风载荷及减缓技术的研究

由于民用飞机机翼具有大展弦比的特点,因此阵风载荷经常成为民用飞机飞行载荷的严重情况,是各国适航标准重点考察的飞行情况。而且,阵风干扰还会因飞机机体的自身弹性引起结构弹性振动,使飞机结构刚度降低,造成机体疲劳损伤,甚至引起颤振。因此,在民用飞机载荷设计过程中对阵风载荷及其减缓技术进行研究具有非常重要的意义。介绍了民用飞机阵风载荷的原理及相关技术,以及阵风载荷减缓技术中用直接升力控制方法来实现机翼的阵风载荷减缓。     

基于模型预测的弹性飞机阵风减缓技术研究

弹性飞机受阵风影响显著,需要设计阵风减缓系统来降低阵风的不利影响。然而,阵风减缓系统受系统约束的影响会降低减缓率,严重时甚至导致系统失稳。为解决该问题,提出了基于模型预测控制的阵风减缓系统设计方法。以某弹性飞机为例,对常见的系统约束开展仿真研究。结果表明,所提方法在系统存在约束时具有更好的控制性能。     

阵风减缓直接升力控制方案的仿真研究

阵内减缓技术可有效地抑制飞机飞行过程中受到阵风和湍充影响所产生的附加过载。研究阵风载荷减缓的基本原理及各种控制方案,结合我国的实际情况,提出了以副翼作为直接升力操纵面的阵风减缓控制方案,建立了直接升力控制的阵风减缓系统的数学模型,并就阵风减缓系统进行了计算机辅助设计与仿真,验证了方案的可行性。     

基于Volterra级数降阶模型的无人机阵风减缓主动控制律设计

针对某型中程长航时无人机阵风减缓主动控制设计问题,提出基于Volterra级数降阶模型和线性二次型/回路传输恢复技术(LQG/LTR)控制的阵风减缓主动控制律设计方法。首先,通过Volterra级数建立非定常气动力的降阶模型,结合无人机飞行动力学模型,并与大气模型耦合,建立无人机阵风响应模型;然后,通过非定常气动力降阶模型耦合的飞行动力学模型进行开环阵风响应,验证模型的有效性;最后,利用特征实现算法得到状态空间形式,采用LQG/LTR方法进行阵风减缓控制律设计。仿真结果表明,提出的控制方法在该型无人机阵风减缓设计上取得较好效果,连续阵风条件下无人机重心过载减小74%,并能维持无人机的高度和姿态稳定。     

基于速度分裂法的翼型阵风响应及减缓数值模拟

国内现阶段飞行器阵风响应CFD模拟通常采用网格速度法（FVM）,而近年提出的更为准确的速度分裂法（SVM）目前主要针对刚性飞行器阵风响应分析。本文将SVM拓展至弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应计算和减缓研究。基于动态网格系统非定常Navier-Stokes方程,将阵风条件下的速度场分解为阵风速度与背景速度的叠加,理论推导出SVM阵风模拟控制方程,结果表明,FVM是SVM忽略源项后的一种近似方法。进一步建立起弹性翼型阵风响应预测的CFD/CSD时域耦合算法和基于俯仰控制的阵风响应减缓数值模拟方法。算例分析了NACA0012刚性及弹性翼型的One-Minus-Cosine阵风响应,计算结果与文献数据一致,在此基础上分析了阵风尺度、黏性和结构弹性对阵风响应的影响。开展了NACA64A010弹性翼型One-Minus-Cosine阵风减缓模拟,结果表明：单一的沉浮速度控制输入量更有利于减缓阵风载荷峰值,而沉浮速度、俯仰角相结合的控制输入量则能同时减缓翼型的沉浮和俯仰运动。本文工作可为三维飞行器阵风响应和减缓研究提供参考。     

飞机阵风响应减缓技术综述

为降低阵风对飞机飞行性能与安全的影响,早期往往通过加强飞机结构来抵抗阵风干扰。从20世纪50年代开始,人们逐步发展了基于主动控制的阵风响应减缓技术,并成功应用于多个实际飞机型号,有效降低了阵风响应,提高了飞机的疲劳寿命和飞行品质。国内的相关研究起步较晚,在国产大飞机等项目的需求牵引下,阵风减缓的工程应用已提上日程。本文提出了飞机阵风减缓研究的总体技术路线,并按此路线梳理了以下技术的历史发展和研究现状：首先介绍了阵风减缓的基础数学模型,涉及飞机动力学模型、阵风模型、非定常气动力模型及阵风响应分析方法;其次从减缓控制机理和控制律设计两个方面分析了阵风减缓的设计方法;回顾了阵风减缓风洞试验和飞行试验及实际应用的具体案例;最后概述了阵风减缓研究的前沿进展并总结了亟需解决的关键技术问题,以期为该领域的科研和工程技术人员提供借鉴与帮助。     

阵风载荷减缓系统LQG/LTR多变量控制器设计

给出了阵风载荷减缓系统LQG/LTR多变量控制器设计方法,以某大型运输机为对象,设计了阵风载荷减缓系统控制器。根据系统回差矩阵的最小奇异值理论和通用相角、幅值裕度估算图,给出了系统两个通道的相角和幅值同时变化时系统的稳定裕度。仿真结果表明,该控制器能有效减缓阵风引起的飞机法向过载,其鲁棒性满足通用规范GJB185-86的要求。     

弹性机翼阵风减缓控制策略风洞试验

介绍了2种用于弹性机翼阵风减缓的控制策略。第1种控制策略是模态阻尼增强的阵风减缓（MDEGA）,通过反馈翼尖振动速度驱动副翼做卸载偏转,从而减缓机翼的动载荷及振动。第2种控制策略是基于阵风感知的阵风抑制（GSBGS）,由阵风探测器感知阵风速度并前馈给副翼做出偏转,利用副翼操纵力抵消阵风载荷。为验证2种控制策略的实施效果,以某弹性飞机缩比模型的大展弦比机翼为研究对象,进行了阵风载荷减缓原理风洞试验。试验结果表明2种控制器对机翼一弯模态的阵风响应减缓效果显著,翼根弯矩和翼尖过载峰值的减缓量均超过50%。与MDEGA相比GSBGS对峰值外频率点阵风响应的减缓更加有效。2种控制策略各具特点,可为工程设计提供参考：MDEGA等效于增加结构阻尼,不需要精确测量阵风,但受气动伺服弹性稳定性约束;GSBGS是开环控制,不改变飞机动态特性,但严重依赖于阵风探测的精度。     

不同飞行状态下机体耦合桨叶的阵风响应分析

由阵风引起的动态载荷直接影响直升机的飞行品质和结构应力。为在详细设计阶段获得更加真实的直升机载荷信息,在时域中基于中等变形梁理论和非线性气动力模型建立了考虑机体和桨叶耦合效应的气动弹性模型。借助该模型对两种阵风下直升机悬停和前飞的飞行表现进行了考察,并将计算结果与孤立桨叶模型的计算结果进行了对比。在悬停状态下,当桨叶遭受向下的阵风,考虑耦合效应的模型和孤立桨叶模型中的桨根处剪切力以及桨盘的拉力系数均减小。且考虑机体耦合效应的模型计算数值小于孤立桨叶模型计算的数值。在前飞状态下,当模型添加阵风后,桨根剪切力增加,考虑机体耦合效应的桨盘升力系数减小。在前飞状态下,前进比为0.35的计算结果和前进比为0.2的计算结果不同。从计算结果来看,孤立桨叶模型计算结果偏保守。为获得更精确的阵风响应预测信息,必须考虑机体耦合效应。     

百米级大柔性风电叶片非线性气弹响应分析

随着风电叶片迈入百米量级,叶片尺寸和柔性持续增大,几何非线性对叶片结构动态响应的影响更加明显。为解决大柔性叶片的非线性气动弹性计算问题,采用基于Legendre谱有限元的几何精确梁理论,耦合叶素动量理论,建立了大尺寸风电叶片气动弹性分析方法,通过带有预弯的悬臂梁算例验证了几何精确梁模型的准确性。最后,以NREL5 MW和IEA 15 MW风力机为例,分别采用线性模态叠加法和非线性几何精确梁方法计算了61.5 m叶片和117 m叶片在全工况稳态风和湍流风条件下的动态响应。结果表明,从5 MW到15 MW风力机叶片,由于几何非线性效应引起的叶尖挥舞位移和叶根挥舞弯矩数值偏差分别增加21.35%和21.23%,叶片一阶摆振模态频率也存在3.2%的偏差。百米级叶片非线性效应对叶片动态响应、摆振模态等气动弹性特性影响较大,应充分考虑非线性气动弹性对叶片设计的影响,以保障风力机的运行安全性。     

大展弦比无人机平台的阵风减缓飞行试验

阵风减缓主动控制技术是飞机应对阵风影响的有力手段，为了对设计的阵风减缓系统进行评估，飞行试验是不可或缺的。由于阵风的精确测量较为困难，如何验证减缓系统是否有效是一个难题，提出一种“开-闭”式统计学试验方法以解决该问题。以一架大展弦比无人机作为试验对象，将基于PID控制原理设计的阵风减缓系统叠加在原飞机的增稳系统上进行了飞行试验。通过统计学方法对试验结果进行分析，结果表明搭载了阵风减缓系统的飞机质心过载降低20.5%,翼根弯矩降低12.9%,验证所提的试验方法可行、有效。