舰载机着舰结构动力学建模、计算及响应优化

发布时间：2020-05-15 07:55

【摘要】：舰载机着舰是一个包含多学科的复杂工程系统动力学问题。不同于一般的陆基飞机,舰载机的着舰环境更为严酷与危险。为了保证航空母舰的作战能力,舰载机必须安全高效地在航空母舰上进行回收,于是有必要对舰载机着舰过程中所涉及到的关键技术进行研究。本文基于结构动力学理论、瞬态非线性有限元、代理模型技术和最优控制理论,并结合计算机仿真开展了考虑柔性机身的模型减缩方法、起落架参数识别、飞机燃油箱流-固耦合动力学分析以及最优轨迹计算的研究。具体可以归纳为以下几个方面:(1)开展了考虑机身柔性的飞机着舰动力学模型减缩方法的研究。提出了一种针对具有局部非线性着舰系统的混合空间自由界面模态综合法。根据系统特性,将结构划分为线性子结构与非线性子结构;其中线性子结构可以通过模态转换进行模型减缩,而起落架系统作为非线性子结构,仍保留在物理空间中。然后通过模态综合技术将二者组装为综合模型。在综合过程中,通过提出一种新的假设高阶模态集构造方法,很好地解决了结构包含刚体模态时的剩余柔度矩阵求解问题。为了定量地描述各阶模态的重要度,提出了一种模态选取准则方法,从而选取出贡献占比较大的低阶模态用于模态综合。最后通过数值算例验证了方法的有效性,计算结果表明运用本文方法可以在保证计算精度的基础上有效提高飞机着舰动力学的分析效率。(2)针对起落架设计过程中一些参数不可测的问题,提出了一种基于代理模型技术的起落架参数识别方法。考虑起落架与航空母舰的耦合运动,选取起落架缓冲器轴向载荷的时域响应的均方差作为目标函数,并通过径向基函数构造目标函数的代理模型,然后引入优化算法实现对参数的辨识。最后分别对常参数与时变参数的起落架模型进行了参数识别计算,数值算例的计算结果表明所提出方法的具有较高的辨识精度。(3)开展了在着舰环境下飞机燃油箱流-固耦合动力学问题的研究。采用ALE方法建立了飞机燃油箱流固耦合模型,通过仿真计算模拟了着舰环境下飞机燃油箱内燃油的运动情况,并研究了不同防波板结构对燃油箱结构强度的影响。为通过仿真分析手段解决着舰环境下飞机燃油箱抗振设计提供了指导依据。(4)开展了舰载机着舰过程最优轨迹的研究。以拦阻索释放速度为控制输入建立了不考虑弯折波的理想拦阻过程动力学模型,然后以拦阻过程中尽可能保持加速度恒定为主要性能指标,采用高斯伪谱法获得系统的一组最优轨迹。通过虚拟样机技术建立了舰载机着舰刚柔耦合动力学模型,将得到的最优拦阻索释放速度作为拦阻系统的控制输入条件,分别对考虑拦阻索质量与不考虑拦阻索质量下的舰载机着舰过程的仿真结果进行了讨论。计算结果显示,通过求解最优控制方程得到最优轨迹可以基本满足拦阻过程飞机加速度恒定的设计指标,但计入弯折波效应后会使拦阻钩载在拦阻初期出现明显的波动效应。
【图文】：

航母,舰载机

1.1 引言作为一个国家综合实力的体现，航空母舰已经成为当代海军中不可代替的一种海上战略核心力量。而一个航母战斗编队要在实战中形成强有力的作战力量，，舰载机在其中的重要性不可忽视。舰载机通常是以航母甲板作为起降平台的一类海军飞机，其主要的作用为攻击陆、海、空以及水面下的敌方目标。除此以外，还有一些具有不同战略用途的舰载型飞机可以执行预警、侦察、扫雷和垂直登陆等作战任务。以舰载机所具有的强大协同作战力为基础，航母舰队才可以在远离其国土的区域从军事上对敌方形成有效的威慑力。这对一个国家在现代远海作战中制空权、制海权的夺取起着非常关键的作用。舰载机通常由陆基飞机演变而来，然而航母甲板上可供舰载机着舰的区域很有限，所以固定翼舰载机通常需要通过拦阻钩挂住拦阻索，再依靠拦阻系统使其强制拦停的方式进行着舰。这是一个及其危险和复杂的过程，也是舰载机使用过程中事故发生率最大的一个过程。因此，研究舰载飞机的拦阻着舰过程所涉及到的一些关键问题对于舰载飞机和人员的安全、航空母舰的发展都有着重要的意义。图 1.1 为某航母甲板布置图。

四种方法,拉格朗日,欧拉,有限元模型

(4)无危险性：数值仿真计算可以模拟各种复杂甚至有危险的极端环境下结构运动情况，而试验很难做到这一点。目前主要的数值研究方法有：Lagrangian法，Eulerian法，ALE法，SPH法四种。图1.2给出了拉格朗日、欧拉、ALE、SPH四种方法的有限元模型。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V271.492

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