大柔性飞行器结构与飞行动力学建模及未建模分析

发布时间：2017-10-06 23:05

  本文关键词：大柔性飞行器结构与飞行动力学建模及未建模分析

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【摘要】：近年来高空长航时无人侦察机、太阳能飞机受到越来越多的重视,然而结构重量的限制导致这类飞机机翼的柔性较大,致使飞机在飞行中容易发生大幅度弹性变形,这种变形对飞机的飞行动力学特性的影响很大,而基于线性、小变形假设推导的传统模型已不适用,因此迫切需要为这种飞机建立能包含多学科通用的模型。此外,真实的大柔性飞行器动力学系统是特别繁杂的,并且系统中包含许多不确定性成分。本文以大柔性飞行器为对象,针对此类飞行器的动力学建模、运动特性、不确定性建模以及模型确认问题展开研究。首先,在精确描述空间柔性悬臂梁的非线性结构变形基础上结合准定常气动力模型,采用有限元方法对其进行离散,其动能、势能及合外力所对应的广义力分别被推导出,然后利用Lagrange方程建立大展弦比柔性飞机的飞行动力学模型;其次,提出一套配平理论,并采用广义α法对模型进行求解,以带有吊舱/有效载荷外挂的飞翼式柔性飞机为算例,对大柔性飞机动稳定性、时域响应特性、“动力刚化”现象以及有限单元的数目对系统的影响进行了研究;最后,采用平衡实现和最小状态法对模型进行降阶处理,并以此为基础,用鲁棒稳定性定理对不确定VFA系统进行分析,随后使用矩阵插值理论对不确定系统模型管用性做判断。本文研究结果表明:本文模型不仅充分反映了所有自由度间的交叉耦合特性,而且更全面的从本质上体现飞机结构/空气/飞行动力学等多学科之间相互影响的非线性飞行动力学特性;柔性机翼下方外挂在一定程度上能改善机翼的抗变形能力,还影响飞行器的动力学特性,改善/影响程度与外挂位置有关,且多梁式机翼结构相比单梁式机翼稳定性要好;有效挂载的增加,将加剧机翼的弯曲变形,使机翼垂直方向有效升力损失严重,导致系统趋于不稳定,同时有可能引起机翼结构破坏,虽然算例中没有出现“动力刚化”现象,但这并不代表VFA在实际飞行过程中不会出现“动力刚化”现象;MSM能够较好的保留原始系统一些重要信息,如果不确定权重比例划分合理的话,真实物理系统能够由模型确认算法在一定程度上客观的反映出来。
【关键词】：柔性梁 有限元 大柔性飞机 动力学建模 不确定性 模型确认
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V214;V212
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 引言16
• 1.2 研究背景与研究意义16-18
• 1.3 国内外研究现状与进展18-25
• 1.3.1 动力学建模研究状况18-19
• 1.3.2 未建模与鲁棒稳定分析的现状与进展19-21
• 1.3.3 建模中的几个重点问题21-25
• 1.4 本文的研究内容与安排25-26
• 第二章 大柔性飞行器结构与飞行动力学建模26-39
• 2.1 引言26
• 2.2 刚体建模26-27
• 2.3 弹性建模27-34
• 2.3.1 模型简化27-28
• 2.3.2 柔性梁的刚柔耦合动力学建模理论28-29
• 2.3.3 动能29-31
• 2.3.4 势能31-32
• 2.3.5 广义外力32-33
• 2.3.6 系统动力学方程33-34
• 2.4 准定常气动力模型34-37
• 2.5 非线性气动弹性与飞行动力学耦合模型37
• 2.6 改进的运动方程37-38
• 2.7 本章小结38-39
• 第三章 大柔性飞行器纵向运动特性分析39-63
• 3.1 引言39
• 3.2 配平理论39-40
• 3.3 数值算法——广义α法40-43
• 3.4 柔性梁的瞬态响应分析43-50
• 3.4.1 细长柔性悬臂梁44-46
• 3.4.2 柔性分叉梁和柔性联接梁46-48
• 3.4.3 伴有刚体运动的两端自由细长柔性悬臂梁48-50
• 3.5 作大范围运动的空间柔性悬臂梁一次模型动力特性分析50-52
• 3.6 飞翼式柔性飞机纵向运动特性分析52-60
• 3.6.1 配平54-56
• 3.6.2 动稳定性56
• 3.6.3 时域响应56-59
• 3.6.4 零次模型与一次模型对比59-60
• 3.7 有限单元收敛性60-62
• 3.8 本章小结62-63
• 第四章 大柔性飞行器动力学未建模分析与模型确认63-82
• 4.1 引言63
• 4.2 VFA动力学模型降阶63-66
• 4.2.1 平衡实现与截断63-65
• 4.2.2 最小状态法65-66
• 4.2.3 降阶模型与原始模型输出响应对比66
• 4.3 鲁棒稳定性理论66-70
• 4.3.1 函数空间与范数66-69
• 4.3.2 小增益定理与鲁棒稳定性69-70
• 4.4 不确定性系统的描述70-73
• 4.4.1 线性分式变换70-71
• 4.4.2 结构不确定性71-72
• 4.4.3 结构奇异值理论72-73
• 4.5 基于μ方法的大柔性飞行器飞行动力学系统鲁棒稳定性分析73-76
• 4.5.1 不确定飞行动力学系统的建模73-76
• 4.5.2 数值仿真与分析76
• 4.6 不确定大柔性飞行器飞行动力学系统的模型确认76-80
• 4.6.1 模型确认的数学基础——插值理论76-79
• 4.6.2 模型确认79-80
• 4.6.3 数值仿真与分析80
• 4.7 本章小结80-82
• 第五章 总结与展望82-85
• 5.1 本文研究内容总结82-83
• 5.2 后续工作展望83-85
• 参考文献85-89
• 致谢89-90
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文90

【参考文献】

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本文编号：985501