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。     

气动弹性系统的阵风减缓与颤振主动抑制

针对Ｊ８飞机模型，研究了阵风减缓与颤振主动抑制的综合控制问题，应用现代控制理论设计控制系统，分别对机翼／外挂系统模型作开环和闭环分析。由数字式控制实现了阵风减缓与颤振主动抑制的风洞实验，风洞实验结果表明：设计控制律具有抑制颤振和减缓阵风响应的双重功能。     

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。     

波阵风中的弹性飞机动力学建模与仿真

爆炸产生的波阵风以超声速或声速传播,且携带了高能扰动能量,它会对飞机产生显著的扰动作用甚至破坏作用。本文阐述了爆炸波阵风的模型,定义了波阵风与飞机的作用方法。将波阵风对飞机的作用折算为下洗效应,采用亚声速偶极子格网法,推导了波阵风对飞机的非定常激励力计算公式,基于此建立了波阵风中的弹性飞机动力学模型,提出了波阵风中的弹性飞机动响应仿真流程。数值仿真结果表明：波阵风激励力计算方法有效,能满足工程实践需求;在质心处,弹性飞机与刚体飞机的动响应差异不大;在翼尖区域,由于气动弹性效应,弹性飞机与刚体飞机的动响应结果有显著差别;波阵风的激励能量主要集中于1 Hz以下,在构建弹性飞机动力学模型时可以忽略振动频率比较高的弹性模态。     

基于直接力控制的阵风响应及阵风减缓研究

考察某无人机模型的阵风气动响应特性和基于直接力操纵的阵风减缓效果.在求解非定常Euler方程时引入“网格速度”方法模拟阵风边界条件,通过动态嵌套网格技术实现舵面运动.首先对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了验证计算,计算结果与理论结果、文献计算结果吻合良好.在此基础上对某无人机模型在迎角阶跃型、One-minus-cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了数值模拟,并分析评估了不同舵面运动方式对飞机气动性能的影响.最终研究比较了不同舵面运动方式下阵风气动响应的减缓效果.结果表明:通过合理设计舵面运动,可以有效达到抑制阵风引起的非定常气动干扰的目的.     

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。     

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。     

弹性飞机阵风减缓气动伺服弹性系统鲁棒性研究

针对阵风减缓气动伺服弹性系统,研究闭环系统性能鲁棒性和稳定鲁棒性。基于系统回差矩阵奇异值理论得到抗阵风扰动灵敏度判据,计算系统对不同阵风扰动的灵敏度以分析系统性能鲁棒性。考虑系统建模的结构刚度和阻尼参数摄动,基于结构奇异值μ理论计算系统的稳定裕度进行系统稳定鲁棒性分析。结果表明,闭环系统具有较好的抗阵风扰动能力和较大的稳定裕度,性能鲁棒性和稳定鲁棒性都较好。     

基于LQG/LTR的飞翼飞机阵风减缓系统研究

根据我国《运输类飞机适航标准》的要求,采用有理谱逼近的方法建立了Von Karman大气紊流的数值仿真模型;详细推导了多变量系统鲁棒性的衡量方法,给出了开环系统奇异值曲线形状与闭环系统鲁棒性的关系;针对飞翼飞机多操纵面的特点,将控制分配技术与LQG/LTR控制器结合在一起,同时兼顾了对飞机过载和翼根弯矩的减缓。仿真结果表明,所设计的控制系统在对飞机过载减缓的同时,也对机翼的翼根弯矩进行了有效的减缓。     

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。     

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。     

阵风响应及减缓的非定常数值模拟

基于网格速度和动网格方法,通过求解非定常N-S方程计算翼型副翼偏转时的阵风减缓响应,研究开环控制律参数和副翼缝隙对阵风减缓效果的影响。对于单个1-cos阵风,随着偏转角度的增大,减缓效果变大;由于粘性的影响,CFD计算得到的升力峰值减小量明显呈非线性的趋势,减缓效果低于准定常线性理论。对于连续sin阵风,通过调整副翼偏转的频率和最大偏转角,升力能达到很好的减缓效果,此时,副翼偏转频率应接近阵风频率,最大偏转角存在一个最优值。在阵风环境下,副翼间隙对升力系数影响不大,而力矩系数增大一倍,间隙会降低副翼偏转对升力的减缓效果。     

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。     

基于遗传算法的柔性飞翼布局阵风减缓设计

将飞翼布局飞机的阵风减缓设计转化为多目标优化问题.基于气动伺服弹性稳定裕度修正个体适应度,建立了改进的多目标非支配排序遗传-阵风减缓算法(NSGA-GLA算法).基于无控飞机的阵风响应特性,提出了阵风减缓控制方案.以翼根弯矩、俯仰角速率和舵偏角最小为目标,采用NSGA-GLA算法对控制器增益参数进行了优化.仿真结果表明,所设计的控制器能够有效改善飞机的阵风响应特性,实现阵风减缓.     

考虑机翼柔性的起落架动力学建模与仿真

采用Jourdain速度变分原理和有限元离散化方法导出柔性机翼与刚性机身的耦合动力学方程,在此基础上考虑起落架缓冲系统的作用,得出整机着陆动力学模型。通过数值仿真对计及机翼柔性的起落架缓冲系统着陆动态性能进行研究,并与不考虑机翼柔性的情形进行对比。文中的结果表明机翼的柔性作用有利于降低缓冲器峰值载荷、峰值行程以及最大轮胎压缩量;但是降低了缓冲器吸收、耗散着陆撞击能的效率。因此大柔性机翼的飞机起落架缓冲系统设计有必要考虑机翼柔性的作用。     

考虑依赖性的多部件系统状态维修优化仿真建模

针对多部件系统状态维修决策建模存在的不足以及现有模型难以推广到实际应用的问题,提出考虑经济、结构和随机3种依赖性的多部件系统仿真建模和优化方法.首先,利用Gamma退化过程对部件退化进行描述,并给出模型参数估计方法.然后,结合多部件系统的维修作业流程、组成关系和故障历史等信息,分别提出经济依赖性强度矩阵、结构依赖性可达矩阵和随机依赖性概率矩阵对3种依赖性进行建模.最后,同时考虑部件级和系统级决策,构建多部件系统期望周期费用仿真模型,并针对该仿真模型特点,提出了用单纯形算法(NMA)改进的遗传算法(GA)优化求解的过程.某电传系统实例仿真结果表明:多部件系统的3类依赖关系对维修决策的影响不可忽略,考虑依赖性和成组维修的存在能够节省平均维修费用,且使得维修决策优化更加符合实际,验证了所建模型和优化方法的有效性.     

风切变作用下的民用飞机阵风减缓控制研究

风切变会对飞机起飞和进场着陆阶段的飞行造成较大影响.在分析现有阵风减缓控制方案的基础上,设计了符合某型民用飞机的风切变阵风减缓控制方案.通过在机翼两端和飞机重心处安装的加速度计,采用主动控制技术,使用对称副翼、扰流板和升降舵来实现阵风减缓控制.建立了阵风-飞机综合线性数学模型,并以法向过载为性能指标,针对风切变采用LQR方法设计了最优状态调节器使性能指标达到最小.仿真结果表明,所设计的控制律具有良好的控制效果.     

非线性因素耦合下电动作动器的 动力学建模与仿真研究

针对飞行器半实物仿真领域对电动作动器高精度建模的需求,对电动作动器的各分系统分别进行动力学方程描述,建立了含间隙、刚度和摩擦等非线性因素的完整电动作动器模型。通过对比模型仿真与实测结果,表明所建分系统的动力学方程是合理正确的。建立的模型对于指导作动器的设计和优化均具有较大的参考价值。     

多控制面机翼阵风减缓主动控制与风洞试验验证

针对某大展弦比多控制面弹性机翼风洞模型,分别从频域和时域进行阵风响应分析和阵风响应减缓控制律设计.采用经典控制理论设计控制律,通过操纵位于0.6和0.8翼展处的内外侧控制面减小由正弦阵风引起的翼尖加速度(WTA).低频段的阵风减缓的数值分析与风洞试验结果均表明:多控制面的阵风减缓效果优于单控制面.当来流速度为14 m/s时,针对频率为2～5 Hz的阵风,采用多控制面得到的WTA减小10%～24%;当来流速度在8～16 m/s时,针对频率为2 Hz的正弦阵风,闭环状态下的翼尖加速度减小10%～40%;结构有限元模型与真实模型存在工程允许的误差导致理论与试验结果存在一定的误差.本文的工作对工程实际中采用阵风减缓技术具有参考价值.     

阻拦系统动力学建模与仿真

 以Mark 7 Mod 1型阻拦系统为基础,借助其中的油液流量系数的经验公式,将其扩展到Mark 7 Mod 3型阻拦系统。首先,将K-5型凸轮曲线进行扩展,重新设计凸轮曲线,使主液压缸的行程增加到4.65 m,进而增加了阻拦系统的容量,实现阻拦系统的优化。其次,考虑到主液压缸的质量不能被忽略,通过引入绳索的弹性形变,实现了阻拦过程主液压缸惯性、滑轮缓冲装置的惯性和飞机惯性的综合动力学仿真。再次,增加了滑轮缓冲系统,使阻拦系统的液压模型更为准确、完整。最后,在考虑了凸轮阀控制曲线以及锥形阀流量系数等各项参数变化的情况下,研究飞机各状态与阻拦系统中各参数的相互影响情况。