一种伞式可折叠柔性变胞机构的设计分析研究

 柔性变胞机构是一种依靠柔性构件变形实现构态变化的机构,利用柔性机构的某些特性可以综合提高变胞机构的性能和效率。提出一种伞式可折叠柔性变胞机构,该机构综合了变胞机构和柔性机构两大特点。利用伪刚体模型理论对该机构进行拓扑学,运动学及稳态分析。最后,对该机构进行运动学仿真,结果表明伪刚体模型法适合于柔性变胞机构的分析与设计。     

基于有限元的平面变胞机构运动学研究

变胞机构具有在工作阶段切换时,杆件数目或运动数目及连接方式可变的特点,因此现有的基于有限元的机构运动学方法和分析软件无法直接用于变胞机构的分析.基于最小势能原理,推导出了任意曲线的滑动副单元和三节点焊接单元两种有限元模型.根据变胞机构的变胞特征,研究了基于有限元的运动学方法在变胞机构中的应用,给出了其计算步骤和流程.最后利用该方法对3种典型的平面变胞机构进行了分析,其结果表明该方法适合计算机的模块化编程和计算,对变胞机构的运动学研究有重要帮助.     

Ti2AlNb切削切屑形成过程近场动力学仿真及试验研究

利用非局部作用思想的近场动力学理论,可以通过求解空间积分方程描述物质点运动规律,准确描述切削过程材料剧烈塑性变形导致的裂纹扩展和断裂破坏行为。本文基于常规态基近场动力学方法构建Ti₂AlNb弹塑性本构模型,融合材料失效和接触准则,求解离散处理的近场动力学基本运动方程,建立了适用于Ti₂AlNb切削仿真研究的态型近场动力学数值模型,模拟分析了Ti₂AlNb直角切削切屑形成过程。通过试验验证,表明近场动力学仿真可以准确模拟Ti₂AlNb切削切屑形成过程中材料变形和损伤演化规律。本方法预测的切屑形成剪切角40.23°与试验结果 38.89°相比,误差为3.45%;定义损伤空间分布的半峰宽值(FWHM)为切削第1变形区宽度,其预测值为0.06mm,预测误差小于7%。     

基于等效元素法的机电作动器传动机构动力学建模与分析

目前机电作动器传动机构存在刚体数目多、传动链长、动力学模型难以建立的问题。通过引入规范化的动力学建模方法——集中质量等效元素法,建立了某机电作动器传动机构的动力学模型,包括等效系统质量阵、等效系统力系和系统自由坐标与广义坐标之间的雅克比关系阵,并得到了其解析动力学方程;结合方程在ADAMS平台进行动力学逆求解仿真,得到了30°大行程位移信号和8Hz频率信号两种工况下的系统载荷响应曲线。随着负载转动惯量增加,电机动载系数达到1.34,丝杠动载系数达到1.55;外部负载不变时,随着驱动信号幅值增加,电机动载最大系数达到1.23。分析表明随着机电作动器系统外部惯性负载及系统运动速度的提高,由外部惯性负载及自身传动机构产生的动载效应明显,为机电作动器传动机构优化设计提供了理论依据。     

低轨卫星对高轨卫星仅测角初轨计算方法

针对我国地面测站对高轨卫星监视能力缺乏的问题,提出一种低轨卫星对高轨卫星仅测角初轨计算方法。该算法引入天基跟踪坐标系,消除测距信息影响,建立仅测角观测方程;引入法向运动,增加摄动因素影响,建立扩展拉普拉斯动力学模型;推导分析观测模型和动力学模型的关系方程,将初轨计算问题转换为非线性方程求解问题,利用高斯全主元消去法完成方程求解。通过实战和仿真测角数据对方法进行检验,结果表明,该方法能利用仅测角数据对非合作目标进行初轨确定,精度在公里量级,可为我国地基监视系统提供补充参考。     

形状记忆合金变刚度结构振动控制仿真研究

为了实现Ti50Ni41Cu9形状记忆合金(SMA)用于复杂结构振动控制的动力学分析,掌握变刚度振动控制的机理和控制规律,基于Kelvin-Voigt粘弹性本构关系,建立了适用于动力学分析的SMA本构模型,并通过ABAQUS编写材料本构程序,形成有效的SMA结构动力学有限元仿真方法,实现了多参数影响下SMA结构的非线性稳态和瞬态动力学仿真计算。计算结果表明:SMA的宏观本构模型能够较好地反映材料动力学性能的变化特征,编制的UMAT子程序与试验数据吻合较好;变刚度控制可以有效降低定频激励引起的稳态响应,对于悬臂板结构响应降幅在40%以上;控制速率与响应的最终变化程度无关,但会引起系统非线性特征,从而影响控制过程需要的时间;采用对向变刚度控制可以降低跨越主频的瞬态振动响应,变温速率越快,系统的峰值响应越小,快速变温时会产生自发频带现象,其对主频能量有显著分散作用,可以一定程度上抑制最大响应峰值。     

基于无级变速的直升机变旋翼转速控制模拟方法研究

为了扩大直升机变旋翼转速变化范围,开展了基于无级变速机构的直升机/传动系统/发动机连续变旋翼转速控制模拟方法研究。基于叶素法和容积动力学方法,建立了主旋翼/发动机综合数学模型用于直升机推进系统仿真,该模型由主旋翼简化模型和涡轴发动机部件级模型组成。在主旋翼/发动机综合模型的基础上,加入了基于能量法建立的无级变速传动装置动力学模型,通过变传动比实现变旋翼转速控制模拟,通过定常来流状态下的数字仿真,分析变旋翼转速控制过程对主旋翼和发动机状态的影响。结果表明,提出的变旋翼转速控制模拟方法在保证涡轴发动机动力涡轮转速变化小于1.5%的前提下使旋翼转速连续变化25%,建立的直升机/传动系统/发动机综合模型为变旋翼转速技术的设计与验证提供了较可靠的数字仿真平台。     

基于切换多胞LPV的涡扇发动机全包线中间状态控制

针对航空发动机全包线内参数变化范围较大,单一控制器很难保证全包线内的控制效果的问题,提出了基于切换多胞线性变参数（LPV）的发动机全包线中间状态控制方法.根据发动机的进口条件将飞行包线分为相互重叠的子区域,将多胞理论及状态重置切换方法引入控制器求解,给出了能够保证切换多胞LPV系统鲁棒稳定的线性矩阵不等式（LMI）条件;利用求解出的Lyapunov矩阵设计各子区域的LPV控制器,并结合几何位置调度策略实现子区域LPV控制;利用局部重叠的滞后切换策略和状态重置切换律实现全包线内各控制器的切换,并证明了该闭环切换系统的稳定性.最终以某型涡扇发动机为研究对象进行仿真验证,结果表明:采用该控制方法稳态误差能够控制在0.1%以内,超调量不大于0.5%.      

基于单胞模型的Kevlar织物高速冲击数值仿真方法研究

针对航空发动机软壁包容机匣用的Kevlar49机织织物,基于Ivanov提出的单胞模型,采用三元件粘弹性本构模型描述纱线应变率相关的力学特性,建立了Kevlar49织物高速冲击数值仿真模型;通过对单个单元拉伸进行数值仿真获得Kevlar织物的应力应变响应;对钢球撞击四边固支的单层织物开展了数值仿真计算。结果表明:所建立的基于单胞结构的数值仿真方法既能描述织物的宏观力学特性,又可反映出撞击过程中纱线的相互运动;单元拉伸仿真获得的拉伸应力应变响应与试验结果一致;Kevlar织物在钢球下的冲击响应与法向变形与纱线细观有限元模型结果一致,验证了发展的基于单胞模型的数值仿真方法的有效性。     

弹用涡喷发动机的动态仿真研究

采用变比热容的方法及容积积累模型,建立了调节系统及发动机主要部件的动力学方程,对某弹用涡喷发动机的过渡态进行了模拟仿真。结果表明：该发动机转速特性典型,加速性好,仿真数模及程序有较好的可信度。此外,还分析了涡喷发动机的仿真特点和仿真中必须解决的关键问题。     

航空发动机动态链接库模型建模技术研究

针对目前航空发动机组态建模软件不能输出用户所搭建模型的局限性,设计了与组态建模软件相匹配的通用发动机动态链接库模型框架,并将用户在组态建模软件上录入的模型信息输出为1个配置文件,加载该动态链接库模型和配置文件进行发动机仿真,仿真结果与采用组态建模软件所得到的结果一致。通过该方法实现了输出组态建模软件中模型的功能,输出的模型可用于发动机数控系统的设计等工作中。     

偏转弹头导弹动力学建模

偏转弹头控制是一种新型的导弹控制方式,精确动力学模型的建立对于导弹性能、稳定性和控制的分析是必不可少的。本文采用多体动力学建模方法中的凯恩(Kane)方法对偏转弹头导弹建立了动力学模型。首先建立合适的坐标系,选取8个变量的速率为广义速率,之后推导了弹身弹头的运动学方程,接着得到广义主动力和广义惯性力,其中将控制弹头偏转的作动力矩视为主动力矩而非理想约束考虑进广义主动力的计算中,最终得到导弹的8个标量动力学方程。推导过程显示凯恩方法比牛顿-欧拉方法推导过程更为简化。利用得到的精确动力学模型进行动态仿真,通过比较研究了采用弹头质心位于弹头偏转铰链中心假设下的简化模型对导弹动态响应的影响,结果显示,在弹头偏转较慢时简化模型会带来较大的动态响应误差。     

飞行器自激振荡的流动物理与动力学机制

全局亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程,研究轴对称飞行器单自由度俯仰失稳运动的非定常特征.高超音速锥-柱-裙飞行器的单自由度俯仰失稳运动发展为极限环形式,周期性运动伴随着波系结构的非定常变化;自激振荡源于静稳定构型的振动回复机制和尾裙激波流动迟滞效应所构成的阻尼机制.基于第二拉格朗日方程和虚功原理,导出能够描述迟滞现象的参数化非线性动力学模型.多尺度近似分析获得参数化运动特征:自激振动过程是拟简谐运动;静稳定构型才能出现自激振荡周期运动;平衡点阻尼是决定运动稳定特性的分叉参数;振幅特性与阻尼非线性相关,频率特性与刚度非线性相关.基于数值结果的参数辨识,非线性模型的理论分析、重构都与数值结果高度一致,从而有效地佐证了自激振荡建模研究的合理性.     

An optimization method for metamorphic mechanisms based on multidisciplinary design optimization

The optimization of metamorphic mechanisms is different from that of the conventional mechanisms for its characteristics of multi-configuration. There exist complex coupled design variables and constraints in its multiple different configuration optimization models. To achieve the compatible optimized results of these coupled design variables, an optimization method for metamorphic mechanisms is developed in the paper based on the principle of multidisciplinary design optimization（MDO）. Firstly, the optimization characteristics of the metamorphic mechanism are summarized distinctly by proposing the classification of design variables and constraints as well as coupling interactions among its different configuration optimization models. Further, collaborative optimization technique which is used in MDO is adopted for achieving the overall optimization performance. The whole optimization process is then proposed by constructing a two-level hierarchical scheme with global optimizer and configuration optimizer loops. The method is demonstrated by optimizing a planar five-bar metamorphic mechanism which has two configurations,and results show that it can achieve coordinated optimization results for the same parameters in different configuration optimization models.     

带太阳帆板航天器刚柔耦合动力学研究

以带有太阳帆板的航天器为研究对象,计及太阳帆板变形位移场的非线性耦合项,采用假设模态离散变形,基于Kane方程建立起系统的刚柔耦合一次近似动力学模型。分别就大范围刚体运动已知和未知两种情况下进行了数值仿真。仿真结果说明,此模型能准确的预示大范围运动下挠性航天器的动力学行为,而传统的零次近似动力学模型由于丢失了动力刚度项而会得到错误结论。     

Unsteady aerodynamic modeling at high angles of attack using support vector machines

Accurate aerodynamic models are the basis of flight simulation and control law design.Mathematically modeling unsteady aerodynamics at high angles of attack bears great difficulties in model structure determination and parameter estimation due to little understanding of the flow mechanism.Support vector machines(SVMs)based on statistical learning theory provide a novel tool for nonlinear system modeling.The work presented here examines the feasibility of applying SVMs to high angle-of-attack unsteady aerodynamic modeling field.Mainly,after a review of SVMs,several issues associated with unsteady aerodynamic modeling by use of SVMs are discussed in detail,such as selection of input variables,selection of output variables and determination of SVM parameters.The least squares SVM(LS-SVM)models are set up from certain dynamic wind tunnel test data of a delta wing and an aircraft configuration,and then used to predict the aerodynamic responses in other tests.The predictions are in good agreement with the test data,which indicates the satisfying learning and generalization performance of LS-SVMs.     

基于Kane方法的双旋弹飞行动力学建模及仿真

针对双旋弹飞行动力学建模,提出了基于Kane方法建立树形多刚体系统动力学方程的方法.分析了双旋弹后体和前体的运动,并分别建立了其动力学方程,综合得到了双旋弹的七自由度飞行动力学方程.基于四元数转换,建立了双旋弹转动运动学方程.通过编程对双旋弹的无控和有控运动特性进行了仿真分析.结果表明,双旋弹无控时以小迎角稳定飞行;有控飞行时弹体产生配平迎角,且纵向和横向修正会出现交叉耦合.     

一种空间超大型可展开柔性聚光器

面向空间太阳能电站（SSPS）对大口径太阳能聚光器的应用需求,提出一种超大型、轻量化、高精度的空间可展开柔性聚光器的新构型。采取理论建模、计算仿真、优化设计相结合的方法对其抛物面构型原理、展开机构折展原理、展开态结构稳定性、动态聚焦精度等问题进行研究,并完成大口径可展开柔性聚光器的设计。提出了基于多层弹性花瓣镜体复合结构的大口径柔性聚光器优化创新设计方法。由于采用薄板柔索结构,本聚光器具有精度高、展收体积比大、质量轻、在线控制简单等优点,为空间太阳能电站千米级聚光器提供一种创新设计方法。     

双框架控制力矩陀螺群的建模与分析

 研究采用双框架控制力矩陀螺群在卫星高精度姿态控制中的建模问题。对于中心刚体带有多个双框架控制力矩陀螺,构造了该系统的拉格朗日函数。采用拟拉格朗日方程建立了卫星姿态动力学模型。在建模中,陀螺的内、外框架未进行无惯量的假设,使得双框架运动带来的动力学特性得到了准确的反映;设计了适宜的标记,使得方程形式简洁并且统一。该模型为高精度的数学仿真和分析提供了基础。基于系统的拉格朗日函数,应用拉格朗日方程,分别建立了沿内、外框架轴和转子轴的轴向动力学方程,为执行机构伺服系统的动力学特性分析和控制器设计提供模型的依据。