柔性自旋飞行器动力学分析与稳定性研究

发布时间：2017-08-18 21:02

  本文关键词：柔性自旋飞行器动力学分析与稳定性研究

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【摘要】：随着现代弹箭技术的发展,对弹箭的射程、精度等指标要求越来越高。为了达到更高的战技指标,弹箭飞行器做的越来越细长,弹体结构的弹性变形已不可忽略,此时应该将其视为柔性弹箭来进行分析,不宜再采用刚体模型。同时采用自旋飞行模式的这类弹箭飞行器,在结构的弹性小变形、刚性大运动以及绕轴向自旋的耦合作用下,其运动形式将变得更为复杂。因此,在对这类飞行器总体设计时,必须充分考虑自旋和柔性所带来的独特的动力学特性、气动弹性以及稳定性等问题。开展柔性自旋飞行器的动力学研究,研究自旋弹箭振动的相关理论,揭示自由飞行时弹箭共振及失稳的机理,将具有重要的理论意义和实际工程意义。本文的研究工作主要以柔性自旋飞行器为研究对象,考虑了多种因素的影响,建立了柔性自旋飞行器自由飞行时的一般运动方程,分析了自旋引起的陀螺效应对弹体结构动力特性的影响,研究了飞行器主动段随动推力作用下的结构动力特性问题,并对自由飞行时做一般运动的柔性自旋飞行器的气动弹性稳定性和动力响应情况进行了分析和总结。首先将转子动力学的基本思想融入到时飞行动力学和外弹道学中,将柔性弹箭简化为自由边界条件下非均匀的转子梁轴模型,利用假设模态方法对连续系统进行离散,考虑陀螺效应、剪切变形、随动推力作用以及气动弹性效应等多种因素,通过非保守系统拉格朗日方程推导出柔性自旋飞行器飞行时的一般运动方程,该方程包括飞行器的弹性振动微分方程、角速率方程和攻角方程,由此得到了较为全面的自旋柔性飞行器的动力学模型。考虑自由飞行时飞行器结构的自振特性,此时忽略了飞行器的刚性大运动和气动力的作用,计入陀螺效应、转动惯量以及剪切变形的影响分析了飞行器结构的弹性振动特性,采用有限元方法建立了自旋飞行器横向振动的运动方程和频率方程,验证了转子动力学方法在自旋飞行器横向振动问题当中的适用性,并通过数值仿真分析了弹体进动频率和不平衡响应随转速变化的情况。在自振特性研究的基础上计入了随动推力的作用,推导了推力和轴向力引起的单元刚度矩阵,采用有限元方法建立了随动推力作用下的自旋飞行器横向振动微分方程和频率方程。研究了柔性飞行器的自旋和随动推力对结构横向振动的影响,对不同条件下临界推力及稳定性情况进行了分析,同时对随动推力作用下的不平衡响应进行了数值仿真,分析和总结了结构的失稳条件。计入飞行器的刚性大运动和气动力的作用,对柔性自旋飞行器飞行时的一般运动方程进行合理的简化和变换,分别得到了柔性自旋飞行器的气动弹性稳定性方程和用于实际工程求解的运动微分方程。针对典型外型的自旋飞行器,分析了不同转速、随动推力、结构阻尼、是否考虑马格努斯效应等因素对飞行器气动弹性静稳定性和动稳定性的影响,同时对不同条件下气动力和质量偏心力作用时的动力响应结果进行了数值计算。计算结果表明,影响柔性自旋飞行器稳定性的因素并不单一,转速、推力、结构阻尼等因素都会对飞行器稳定性造成不同程度的影响,在稳定性分析时需要对这些因素进行综合的考虑和分析。针对以上推导的相应理论和公式,编制了相应的数值计算程序。对部分数值计算结果与其他研究成果进行了对比,较好地验证了本文理论和计算程序的正确性和有效性。通过开展本文研究,为自旋弹箭的工程设计提供相关的基础理论支撑,实现弹箭系统总体结构的合理设计,优化外弹道特性,提高弹箭的研制水平。
【关键词】：柔性自旋飞行器 陀螺效应 横向振动 随动推力 稳定性 气动弹性
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V212
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 引言11-12
• 1.2 课题来源与研究意义和目的12-13
• 1.2.1 课题来源12
• 1.2.2 研究的意义和目的12-13
• 1.3 国内外研究现状13-21
• 1.3.1 参考坐标系13-14
• 1.3.2 弹体模型的选取14-16
• 1.3.3 气动弹性问题及稳定性研究16-19
• 1.3.4 推力作用及稳定性研究19-21
• 1.4 国内外研究综述小结21-22
• 1.5 本文主要研究内容与创新工作22-24
• 1.5.1 主要研究内容22-23
• 1.5.2 本文创新工作23-24
• 第二章 柔性自旋飞行器的运动方程24-49
• 2.1 基本假设24
• 2.2 坐标系定义24-27
• 2.2.1 地面坐标系25
• 2.2.2 弹体坐标系25-26
• 2.2.3 微元坐标系26-27
• 2.3 模型的建立27-40
• 2.3.1 平均弹轴条件28
• 2.3.2 动能28-34
• 2.3.3 弹性势能34
• 2.3.4 阻尼耗散能34
• 2.3.5 作用力与力矩34-37
• 2.3.6 功与虚功37-40
• 2.4 运动方程的建立40-48
• 2.4.1 假设模态法40-45
• 2.4.2 拉格朗日方程45-46
• 2.4.3 运动方程的建立46-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第三章 自旋飞行器转子动力学特性研究49-65
• 3.1 转子动力学方程49-50
• 3.2 有限元方法建立运动方程50-54
• 3.3 进动频率与临界转速分析54-59
• 3.3.1 频率方程54-55
• 3.3.2 实例分析55-59
• 3.4 不平衡响应分析59-64
• 3.4.1 不平衡载荷59-60
• 3.4.2 响应实例分析60-64
• 3.5 本章小结64-65
• 第四章 自旋飞行器的推力稳定性研究65-82
• 4.1 推力作用下的横向振动方程65-67
• 4.1.1 假设模态法推导的横向振动方程65-66
• 4.1.2 有限元方法推导的横向振动方程66-67
• 4.2 推力稳定性分析67-75
• 4.2.1 系统特征值与稳定性关系67-68
• 4.2.2 稳定性分析算例68-75
• 4.3 瞬态响应数值计算75-81
• 4.4 本章小结81-82
• 第五章 柔性自旋飞行器的气动弹性稳定性及动力响应研究82-110
• 5.1 气动力的计算82-84
• 5.1.1 弹身部分法向力82-83
• 5.1.2 尾翼部分法向力83
• 5.1.3 马格努斯力与力矩83-84
• 5.2 气动弹性稳定性分析84-96
• 5.2.1 气动弹性稳定性方程84-87
• 5.2.2 气动弹性稳定性计算87-96
• 5.3 自旋飞行器飞行时的动力响应分析96-108
• 5.3.1 运动方程的简化与变换97-100
• 5.3.2 动力响应的数值分析100-108
• 5.4 本章小结108-110
• 结论110-113
• 参考文献113-119
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单119-120
• 致谢120-121
• 作者简介121

【参考文献】

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本文编号：696720