PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

飞行控制系统（FCS）与计算流体力学（CFD）的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程（RBD）以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。     

基于数字虚拟飞行的民用飞机纵向地面操稳特性评估

针对民用飞机设计方案纵向地面操稳特性的评估需求,面向适航标准的要求,提出了一种基于数字虚拟飞行的评估方法。基于适航条例要求提出了纵向地面操稳特性的量化判定准则,建立了飞机的地面运动模型和驾驶员操纵模型,以实现起降等特定地面运行任务的数字虚拟飞行,最终依据数字虚拟飞行结果和判定准则对飞机设计方案的地面操稳特性做出评估。应用此方法研究了某大型运输类飞机的纵向地面操稳特性。数字虚拟飞行结果表明:前翻倾向的严重情况发生在起降过程的高速滑行段,主轮刹车引起的机身前翻倾向是显著的,起落架纵向定位参数设计以及飞行进近参数选择均会对飞机的纵向地面操稳特性产生影响。     

基于锥形运动的制导火箭速度控制导引律设计

针对制导火箭落点速度的约束要求,提出了一种采用锥形运动控制导弹飞行速度的导引方法。该方法首先设计了满足速度约束的虚拟目标理想运动轨迹,将导弹减速控制问题转化为对虚拟目标的追踪导引问题,通过建立制导火箭与虚拟目标的相对运动模型,分析了弹目相对位置和相对速度的关系,推导了具有速度控制的导引律一般形式,并采用动态逆控制理论设计了锥形运动控制指令和导引参数。通过数字仿真对比了不同落角约束条件下导弹锥形运动的速度控制效果,结果表明该方法设计的导引律能够满足制导火箭速度约束要求,且制导精度高、控制效果好,为导弹锥形运动速度控制技术提供了参考。     

失重状态下旋转陀螺交互操作的仿真研究

针对在地面难以使用实物进行空间操作任务训练的问题,提出了一种基于人机交互和物理引擎技术的交互操作虚拟仿真方法,并实现了失重状态下旋转陀螺的虚拟操作训练。实现中首先建立航天员和陀螺的三维图形模型和用于碰撞检测的物理模型,并采用虚拟现实设备数据手套和位置跟踪仪实时跟踪获取受训人体的实时运动数据,用于交互控制虚拟航天员的运动,最终通过物理引擎及仿真算法计算失重状态下旋转陀螺的运动状态。结果显示,该方法较好地解决了旋转陀螺定轴特性仿真问题,能够满足虚拟训练的实时性和有效性要求。     

2．4m×2．4m跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制

要解决先进飞行器的气动/运动非线性耦合问题,就需要建立气动/飞行力学一体化的虚拟飞行试验平台,用于获取飞行器机动飞行过程中的非定常气动力特性,弄清气动/运动非线性耦合机理。2．4m×2．4m 跨声速风洞（以下简称2．4m风洞）虚拟飞行试验天平研制技术是虚拟飞行试验机理性研究的关键技术之一。由于试验模型为两段的细长结构,天平设计空间受到限制,并且载荷极不匹配。风洞试验研究要求天平不仅要实现分段模型气动力的测量,还要实现两段模型的同步小摩擦滚转运动,传统天平无法满足试验要求。新设计的天平采用一种带有轴承和心轴的环式“双天平”新结构,较好解决了载荷匹配问题以及测量与运动之间的矛盾。天平设计利用有限元软件ANSYS进行应变和应力分析与优化,并设计了耦合式电桥。天平静校和风洞试验数据表明,该天平满足风洞虚拟飞行试验机理性研究的要求。     

基于DELMIA的虚拟维修过程建模及应用

为了实现基于DELMIA的虚拟维修过程建模,通过在传统的维修过程分解体系中加入维修动作层,构建了包含四个层次的维修过程分解体系,利用PERT图实现了虚拟维修过程建模,给出了作业时间的预计方法,并以某型飞机发动机拆卸过程为例,验证了方法的可行性。     

飞行模拟器运动系统虚拟样机的联合建模研究

针对传统的数学建模方法在对飞行模拟器运动系统——液压驱动Stewart平台进行动力学建模的过程中存在建模过程相对复杂、 仿真无法提供可视化信息等缺点,提出采用ADAMS和Matlab/Simulink联合建模的方法,建立了液压驱动Stewart平台的虚拟样机.通过研究与仿真分析,并与真实的Stewart平台进行实验对比,结果表明,虚拟样机在动力学性能方面与真实的液压驱动Stewart平台相比具有很高的相似性,可代替一般的数学模型,为液压驱动Stewart平台的研究和研制提供理论上的指导和验证,同时也证明了联合建模方法的正确性和有效性.     

虚拟仪器技术在航空发动机智能检测中的应用

利用NI公司的LabW indows/CVI虚拟仪器作为开发平台,设计了一套适用于某型航空发动机地面试车的智能检测系统。实际检测结果表明:该系统较真实地反映了被测航空发动机的试车参数、工作状态及试车曲线。与传统的检测方法相比,既节省了成本,又提高了检测效率。     

虚拟体法数值模拟双圆柱强迫振荡系统

用虚拟体方法研究了均匀流及尾流中圆柱横向振荡的流动特征.单圆柱结果与相关试验吻合,得到了"锁定"区域,发现涡量跳跃现象.对小间距双圆柱的数值模拟发现,在"锁定"区域附近随激励频率的增加流场特征会出现若干显著的变化,包括涡量的跳跃,涡模态的改变,正负涡量带的形成和消失.在大间距情况下发现下游圆柱的振荡对上游尾涡脱落没有明显的影响,下游圆柱尾流场没有发现"锁定"现象.     

弹性机体起落架的动态性能仿真分析

 通过建立弹性机体的等效模型,导出了系统的运动微分方程;并在ADAMS/Aircraft环境中建立了虚拟样机,仿真出具有弹性机体的飞机着陆时的动态响应。仿真结果显示出弹性机体能起到吸收和耗散能量的作用,吸收了缓冲器功量的6.5%,并可以适当减轻着陆时的侧滑过载。对考虑弹性机体起落架系统进行了研究分析,得出机体的低阶弹性模态起到提高飞机起落架缓冲器效率的作用。该设计方法能够减小轮胎和缓冲器的受载,延长起落架寿命。此外,对传统起落架缓冲器设计准则进行了完善。