大柔性飞机非线性飞行载荷分析及优化

 大柔性飞机在气动力作用下产生较大的弯曲变形,线性理论难以获得比较合理的载荷分析及优化解答。为了综合考虑结构气动非线性效应的影响,飞机结构由相互连接的几何非线性欧拉梁表示,升力面由顺来流方向沿展向分布的可压缩马蹄涡网络表示,通过多控制面协调偏转对飞行载荷进行优化。算例表明：随着变形增大线性分析结果将产生误差,最大误差接近20%;通过协调偏转升降舵与机翼上的4组控制面显著减缓了翼根弯曲载荷13.6%。得出以下结论：结构弯曲效应将导致升力损失,线性理论的分析结果将产生显著误差;多控制面协调偏转方法可有效减缓结构载荷。     

颤振分析中的模态跟踪技术

颤振求解是一种研究参数(如空速)变化的特征值问题.在颤振模态判别和防颤振设计中,需要正确确定各阶模态对应的特征值随参数变化时的前后对应关系,避免出现模态交叉.针对颤振求解p-k法,发展了一种基于特征值摄动理论的模态跟踪技术——预测跟踪法,它利用特征值及左、右特征向量信息求解下一空速点的特征值估计量,以估计量为参考对特征值进行排序,将预测跟踪法和相似排序法、正交检验法进行了对比.数值结果表明:预测跟踪法比相似排序法和正交检验法具有更好的模态跟踪效果.     

弹性导弹的连续与离散阵风响应

导弹在空中飞行时会受到阵风的干扰,过大幅值的阵风响应可能影响结构安全 、飞行性能及攻击精度.为此,基于导弹刚体/弹性耦合运动方程和准定常气动力,建立了导 弹气动伺服弹性系统的连续与离散阵风响应分析方法.对于连续阵风,通过频率响应函数来 计算响应的功率谱密度;对于离散阵风,则在状态空间方程的基础上时间积分求得响应历程 .以某导弹为例,进行了气动伺服弹性稳定性分析、连续和离散阵风响应分析,并提出了飞 行控制系统的改进设计.数值结果表明,结构与控制之间的不利耦合可能使系统的稳定性和 阵风响应特性恶化,在控制回路中增加合适的结构陷波器可有效减小弹性模态的不利影响.      

导弹气动伺服弹性稳定性分析

分析了带有舵面及控制系统的战术导弹的气动伺服弹性稳定性。动力学方程中包含弹体的一阶弯曲振动、弹体的刚体平动和转动 ,可控舵面只考虑刚体偏转。用细长体理论和气动导数方法计算了导弹的非定常气动力 ,两种方法均适用于亚音速和超音速情况。采用 Nyquist方法和 Bode图方法分析了某导弹的气动伺服弹性稳定性和稳定裕度 ,两种气动力方法所得结果一致。     

气动伺服弹性系统不确定性建模与鲁棒稳定性

 气动伺服弹性系统在不确定性摄动下的鲁棒稳定性问题对于带有自动控制系统的弹性飞行器是非常关键的。利用线性分式变换形式,考虑参数和非参数不确定性的摄动,如广义刚度、广义质量、广义非定常气动力以及伺服系统的不确定性摄动,由各子系统到整个闭环系统依次建立气动伺服弹性的状态空间模型,并应用结构奇异值μ方法分析了系统的鲁棒稳定性。两个算例表明了该建模方法的方便适用以及μ方法在气动伺服弹性鲁棒稳定性分析中的应用前景。     

吸气式高超声速民用运输机概念设计

介绍了高超声速民用运输机的概念设计方案。通过对气动布局、推进系统、全机重量的分配等方面进行初步分析和计算,完成了飞行性能的多轮数值计算,得到了满足初始任务需求的设计方案和飞行轨迹,并形成了快速的概念方案设计方法。     

大变形状态机翼振动试验与气动弹性分析

本文针对结构大变形引起的几何非线性对于结构动力学特性的影响作了计算和试验研究,设计了一个试验,用于体现大展弦比平板机翼结构大变形对于动力学特性的改变。并计算分析了这种大变形对于该机翼气动弹性颤振特性的影响,并参考了一个双梁骨架结构机翼的计算分析结果。经分析发现几何非线性因素对于这两种机翼结构的影响体现在:第一,使得固有模态中的扭转模态频率大幅降低;第二,使得颤振特性发生变化。     

多控制面飞机的全机颤振主动抑制设计

 以仿F/A-18A外形的全机模型为对象,研究多输入/多输出（MIMO）飞机颤振主动抑制（AFS）设计方法和特点。控制律采用线性二次型高斯（LQG）方法,结合平衡截断法降阶。首先,仅用机翼舵面对机翼部件和全机设计AFS控制律;然后,全动平尾参与AFS控制;最后,机身额外加装小翼,与机翼舵面联合控制,考察AFS效果。研究发现：单独机翼AFS效果显著,颤振速度提高28%;全机构型有机身模态参与颤振,仅用机翼舵面,低阶控制律颤振速度增量仅为4.6%;全动平尾参与控制可改善低频颤振,但存在低速的高频不稳定模态;机身小翼与机翼舵面联合控制,AFS控制效果可达14.9%。最终,筛选出机翼后缘内侧舵面与机身小翼两组控制面进行AFS设计,即可达到14.5%的颤振速度增量,是较为理想的AFS方案。     

压电纤维复合材料驱动的机翼动态形状控制

利用压电材料实现柔性机翼的主动形状控制,能够有效提高机翼结构效率和气动性能;要实现连续、光滑的高精确形状控制效果,机翼变形过程必须满足一定的动态要求。本文利用在上下翼面反对称铺设的新型压电纤维复合材料——宏纤维复合材料(MFC)提供驱动力矩,研究了机翼扭转变形的前馈轨迹跟踪控制。首先建立了机翼结构有限元模型和气动力载荷模型,采用载荷比拟法得到MFC作动器的控制载荷向量,给出了气动弹性控制方程及其状态空间表达形式。为跟踪预设的变形参考轨迹,以跟踪误差的时域积分为目标函数,对MFC作动器的电压加载历程进行了优化设计。结果表明,采用规划后的电压加载历程,机翼气动弹性响应很好地跟踪了预期参考轨迹,实现了连续、光滑的动态形状控制效果,提高了控制精度。     

状态空间控制理论与计算中的几个问题——分析结构力学的观点

应用近年来发展的分析结构力学理论及保持哈密顿体系结构特征的精细积分算法,可以精确高效地求解最优控制和H∞控制中的系统设计和仿真问题。文中介绍了分析结构力学的基本内容、线性定常系统最优控制和H∞控制问题的求解以及输出反馈控制问题的变分原理和分离性原理。在此基础上,进一步介绍了非线性系统、时变线性系统、时滞系统、输入饱和系统的最优控制及分散H∞控制等方面的理论与计算问题。本文主要内容取材于作者最近完成的《状态空间控制理论与计算》一书,文中所讨论的问题都可以在基于精细积分的控制系统设计程序库(PIM-CSD)基础上求解。