全模颤振风洞试验三索悬挂系统多体动力学分析
发布时间：2021-08-26 07:59
全模颤振风洞试验需要通过软支撑系统模拟飞行器的自由飞行状态并调整模型姿态达到配平状态。参考NASA双索悬挂方案,提出了一种两电机驱动的三索悬挂系统,利用后方两索的同向/反向联动实现模型俯仰和滚转姿态的调整,利用弹簧刚度以及钢绳张力设计实现支撑频率要求。基于柔性多体动力学方法,建立了包括飞行器刚体模型、柔性索、滑轮、弹簧、气动力模型、伺服电机控制在内的复杂系统动力学模型,其中,利用任意拉格朗日-欧拉（ALE）变长度索单元描述钢绳,利用不约束物质坐标的索结点约束描述钢绳与滑轮相互作用,利用索结点物质输运速度约束描述伺服电机绞盘,利用飞行力学的气动力模型描述吹风下的气动力。基于该模型,通过小扰动响应辨识研究了弹簧刚度、钢绳张力、连接点位置等因素对支撑频率的影响规律,并分析了系统姿态调整能力,俯仰调整范围达到-12.5°～12.5°,滚转调整范围达到-45°～45°。采用滑轮处电位计测量的钢绳相对位移作为反馈信号,基于设计的控制律利用多体动力学求解器与Simulink对风洞吹风下的姿态调整过程进行仿真,模型达到配平状态,获得了吹风下的索拉力和伺服电机功率,为系统设计提供基础。
【文章来源】：航空学报. 2020,41(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图１三索悬挂系统示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｒｅｅ－ｃａｂｌｅｍｏｕｎｔｓｙｓｔｅｍ９３４－２
长度索单元悬索系统中的钢绳与滑轮存在接触和摩擦等作用，并依靠伺服电机绞盘提供控制。如果利用常用的拉格朗日描述索单元对钢绳进行建模，用接触模型考虑绳与滑轮间的相互作用，绳索划分与滑轮尺度适应的细密网格，计算量较大。本文利用洪迪峰等［２０］、彭云［２１］开发的ＡＬＥ变长度索单元对钢绳进行建模。与传统的拉格朗日描述不同，在ＡＬＥ变长度索单元的节点广义坐标不仅包括节点的全局坐标ｒ，还包含物质坐标ｐ，即起始点到结点的绳长，如图２所示。因此，两节点索单元的广义坐标为ｑｃ＝ｒＴ１ｒＴ２ｐ１ｐ［］２（１）式中：下标１、２表示节点编号。为了描述单元内部任意物质点的位置ｒ，引入形函数Ｎｅ：ｒ＝Ｎｅｑｅ（２）式中：Ｎｅ＝（１－ξ）Ｉ３×３ξ［Ｉ３×３］；ｑｅ＝［ｒＴ１ｒＴ２］；ξ＝（２ｐ－ｐ１－ｐ２）／（ｐ１－ｐ２）。与Ｌａｇｒａｎｇｅ索单元不同的是，由于边界物质流动导致ＡＬＥ索单元形函数的自然坐标ξ是随时间变化的，因此ＡＬＥ索单元的形函数也是随图２两节点ＡＬＥ索单元Ｆｉｇ．２ＡＬＥｃａｂｌｅｅｌｅｍｅｎｔｏｆｔｗｏｎｏｄｅｓ
７２５ＣＤα０．３４ＣＺｐ０．１０５ＣＬα４．６４ＣＺｒ０．００５１Ｃｍα－１．２２Ｃｌβ－０．０６１７Ｃｍ?α－３．８５Ｃｌｐ－０．４０１Ｃｎβ０．１１７Ｃｎｐ－０．０１９９Ｃｎｒ－０．１２４Ｃｌｒ０．０７８Ｃｍ０－０．００９２ｃ／ｍ０．４８４ｂ／ｍ３．５０７Ｓ／ｍ２１．５３６制指令给伺服电机，伺服电机通过收放钢绳调整模型姿态，确保模型受到的气动静载荷最小，并保证在吹风试验中模型的姿态稳定，如图４所示。根据几何关系，钢绳相对位移量Ｓｒｌ１、Ｓｒｌ２、Ｓｒｒ１、Ｓｒｒ２、Ｓｆ与模型垂向相对位移ＳＶｅｒｔｉｃａｌ、俯仰相对位移ＳＰｉｔｃｈ、滚转相对位移ＳＲｏｌｌ存在如下关系：ＳＶｅｒｔｉｃａｌ＝－Ｓｒｌ１－Ｓｒｌ２＋Ｓｒｒ１－Ｓｒｒ２４－ＳｆＳＰｉｔｃｈ＝Ｓｒｌ１－Ｓｒｌ２＋Ｓｒｒ１－Ｓｒｒ２４－ＳｆＳＲｏｌｌ＝Ｓｒｌ１－Ｓｒｌ２－Ｓｒｒ１＋Ｓｒｒ２烅烄烆２（７）采用比例控制?ＳＶｅｒｔｉｃａｌ＝－ＫＶＳＶｅｒｔｉｃａｌ?ＳＰｉｔｃｈ＝－ＫＰＳＶｅｒｔｉｃａｌ?ＳＲｏｌｌ＝－ＫＲＳ烅烄烆Ｒｏｌｌ（８）图４控制系统示意图Ｆｉｇ．４Ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｉａｇｒａｍ式中：ＫＶ、ＫＰ、ＫＲ为垂向、俯仰、滚转通道的控制参数；第２个方程右端中的－ＫＰＳＶｅｒｔｉｃａｌ体现了通过调整俯仰，进而改变气动力
【参考文献】：
期刊论文
[1]Efficient modeling of cable-pulley system with friction based on arbitrary-Lagrangian-Eulerian approach[J]. Yun PENG,Yadong WEI,Ming ZHOU. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2017(12)
[2]跨声速风洞全模颤振试验技术[J]. 路波,吕彬彬,罗建国,余立,杨兴华,郭洪涛,曾开春. 航空学报. 2015(04)
[3]某战斗机高速全模颤振风洞试验研究[J]. 郭洪涛,路波,余立,杨兴华,罗建国,吕彬彬. 航空学报. 2012(10)
[4]跨声速风洞全模颤振试验悬浮支撑系统[J]. 路波,杨兴华,罗建国,郭洪涛,余立,芮伟,周洪. 实验流体力学. 2009(03)
本文编号：3363862
【文章来源】：航空学报. 2020,41(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
图１三索悬挂系统示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｒｅｅ－ｃａｂｌｅｍｏｕｎｔｓｙｓｔｅｍ９３４－２
长度索单元悬索系统中的钢绳与滑轮存在接触和摩擦等作用，并依靠伺服电机绞盘提供控制。如果利用常用的拉格朗日描述索单元对钢绳进行建模，用接触模型考虑绳与滑轮间的相互作用，绳索划分与滑轮尺度适应的细密网格，计算量较大。本文利用洪迪峰等［２０］、彭云［２１］开发的ＡＬＥ变长度索单元对钢绳进行建模。与传统的拉格朗日描述不同，在ＡＬＥ变长度索单元的节点广义坐标不仅包括节点的全局坐标ｒ，还包含物质坐标ｐ，即起始点到结点的绳长，如图２所示。因此，两节点索单元的广义坐标为ｑｃ＝ｒＴ１ｒＴ２ｐ１ｐ［］２（１）式中：下标１、２表示节点编号。为了描述单元内部任意物质点的位置ｒ，引入形函数Ｎｅ：ｒ＝Ｎｅｑｅ（２）式中：Ｎｅ＝（１－ξ）Ｉ３×３ξ［Ｉ３×３］；ｑｅ＝［ｒＴ１ｒＴ２］；ξ＝（２ｐ－ｐ１－ｐ２）／（ｐ１－ｐ２）。与Ｌａｇｒａｎｇｅ索单元不同的是，由于边界物质流动导致ＡＬＥ索单元形函数的自然坐标ξ是随时间变化的，因此ＡＬＥ索单元的形函数也是随图２两节点ＡＬＥ索单元Ｆｉｇ．２ＡＬＥｃａｂｌｅｅｌｅｍｅｎｔｏｆｔｗｏｎｏｄｅｓ
７２５ＣＤα０．３４ＣＺｐ０．１０５ＣＬα４．６４ＣＺｒ０．００５１Ｃｍα－１．２２Ｃｌβ－０．０６１７Ｃｍ?α－３．８５Ｃｌｐ－０．４０１Ｃｎβ０．１１７Ｃｎｐ－０．０１９９Ｃｎｒ－０．１２４Ｃｌｒ０．０７８Ｃｍ０－０．００９２ｃ／ｍ０．４８４ｂ／ｍ３．５０７Ｓ／ｍ２１．５３６制指令给伺服电机，伺服电机通过收放钢绳调整模型姿态，确保模型受到的气动静载荷最小，并保证在吹风试验中模型的姿态稳定，如图４所示。根据几何关系，钢绳相对位移量Ｓｒｌ１、Ｓｒｌ２、Ｓｒｒ１、Ｓｒｒ２、Ｓｆ与模型垂向相对位移ＳＶｅｒｔｉｃａｌ、俯仰相对位移ＳＰｉｔｃｈ、滚转相对位移ＳＲｏｌｌ存在如下关系：ＳＶｅｒｔｉｃａｌ＝－Ｓｒｌ１－Ｓｒｌ２＋Ｓｒｒ１－Ｓｒｒ２４－ＳｆＳＰｉｔｃｈ＝Ｓｒｌ１－Ｓｒｌ２＋Ｓｒｒ１－Ｓｒｒ２４－ＳｆＳＲｏｌｌ＝Ｓｒｌ１－Ｓｒｌ２－Ｓｒｒ１＋Ｓｒｒ２烅烄烆２（７）采用比例控制?ＳＶｅｒｔｉｃａｌ＝－ＫＶＳＶｅｒｔｉｃａｌ?ＳＰｉｔｃｈ＝－ＫＰＳＶｅｒｔｉｃａｌ?ＳＲｏｌｌ＝－ＫＲＳ烅烄烆Ｒｏｌｌ（８）图４控制系统示意图Ｆｉｇ．４Ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｉａｇｒａｍ式中：ＫＶ、ＫＰ、ＫＲ为垂向、俯仰、滚转通道的控制参数；第２个方程右端中的－ＫＰＳＶｅｒｔｉｃａｌ体现了通过调整俯仰，进而改变气动力
【参考文献】：
期刊论文
[1]Efficient modeling of cable-pulley system with friction based on arbitrary-Lagrangian-Eulerian approach[J]. Yun PENG,Yadong WEI,Ming ZHOU. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2017(12)
[2]跨声速风洞全模颤振试验技术[J]. 路波,吕彬彬,罗建国,余立,杨兴华,郭洪涛,曾开春. 航空学报. 2015(04)
[3]某战斗机高速全模颤振风洞试验研究[J]. 郭洪涛,路波,余立,杨兴华,罗建国,吕彬彬. 航空学报. 2012(10)
[4]跨声速风洞全模颤振试验悬浮支撑系统[J]. 路波,杨兴华,罗建国,郭洪涛,余立,芮伟,周洪. 实验流体力学. 2009(03)
本文编号：3363862
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