二元机翼滑模变结构控制颤振主动抑制

颤振主动抑制(AFS,Active Flutter Suppression)是气动弹性综合研究的活跃分支,对飞行器设计具有重要意义.以带后缘控制面的二元机翼为对象,研究滑模控制(SMC,Sliding Mode Control)用于气动弹性AFS的可行性与机理.基于准定常气动力理论建立二元机翼气动弹性系统模型,设计SMC的滑模切换面及状态反馈控制切换函数,以实现受控对象AFS,从相空间状态轨线的角度,阐述SMC使闭环系统稳定的根源.此外,还对SMC的鲁棒性及延时效应做了分析与讨论.研究表明:该控制策略可用于AFS,在气动弹性主动控制方面具有应用前景.

二元机翼模型在随机参数激励下的首次穿越问题

为研究机翼在随机参数激励下的稳定性和可靠性,建立了在一个随机气流速度影响下的二元机翼随机动力学模型.首先,利用拟不可积Hamilton系统的随机平均法,将系统的广义能量表示为一维Ito扩散过程;其次,利用奇异性边界理论讨论了系统的全局随机稳定性;最后,为研究机翼振动能量和噪声强度对机翼工作安全性能的影响,求得了系统可靠性函数和首次穿越(系统损坏)时间概率密度函数.结果表明:系统可靠性函数在接近安全工作域边界时降低得很快,能量初值远离安全域边界可降低损坏概率密度峰值并将对应的时刻推后;噪声强度的增大也会引起系统可靠性下降加快和首次穿越概率密度函数峰值上升.

不可压气流中二元机翼颤振的分岔点研究

对不可压气流中二元机翼颤振系统的分岔点进行了研究.应用中心流形理论将四维系统降为二维系统。

不可压气流中二元机翼的分叉分析

本文分析了不可压气流中带有非线性俯仰刚度二元机翼的分叉问题.分析采用了工程实用的等效线化法和作为比较标准的数值积分法,并借助计算机代数系统按Hassard渐近展开算法及平均化算法求得解析解进行比较.从而论证等效线化法的可用性.

二元机翼极限环颤振复杂分岔

机翼颤振是飞机飞行中最常见的、可能带来灾难性后果的气动弹性现象,属于自激振动。揭示其机理和规律,对机翼和飞行器设计有重要意义。以二元机翼模型为例,通过数值计算Poincare映射分岔的方法,讨论了极限环颤振随气流速度变化引起的复杂分岔行为。对自治非线性系统,还没有公认的方法选取合适的Poincare截面,特选俯仰角加速度为零的点作为广义Poincare截面上的点。通过考察广义Poincare截面上点的数目随参数的变化来考察系统的分岔。计算出了参数气流激振力变化导致的分岔图,并给出了8种不同的具有代表性的典型的相图和谱图,对应8种闭轨曲线的拓扑形状各不相同,发现系统中存在正向和反向的超谐分岔是产生这种闭轨分岔的根源。

带迟滞非线性环节二元机翼的气动弹性响应分析

基于Theodorsen非定常气动力理论,采用Roger拟合得到时域气动力表达式;针对二元机翼俯仰自由度带有迟滞非线性环节的情况,采用分段线性方式,建立了二元机翼气动弹性系统无量纲运动方程。通过数值仿真得到了系统极限环振动响应的时间历程和相轨迹,并与带中心间隙型非线性刚度环节二元机翼的气动弹性响应特性进行了比较;结果表明在一定的来流速度下,二元机翼俯仰自由度具有的迟滞特性会导致整个系统的极限环振动;最后用描述函数法给出了迟滞非线性环节的等效刚度及等效阻尼表达式,并进行了具有迟滞非线性环节二元机翼气动弹性系统颤振边界的等效线化分析,与直接数值仿真的计算结果吻合较好。

具有不对称间隙的二元机翼颤振研究

利用数值方法分析了有预荷载情况下具有不对称间隙的气动弹性非线性与结构非线性耦合的二元机翼颤振问题的动力学响应,研究了当速度比U*/UL*从零逐渐增大到1时系统的全局演化规律,分析了频率比ω、机翼质量密度比μ、预荷载M0、初偏值αf、间隙δ及初始条件等参数对颤振临界点的影响,发现在有预荷载的不对称分段线性系统中不存在混沌运动形式,而且系统幅值的变化规律不受初值条件的影响,并根据引起俯仰幅值变化的敏感参数,提出几种控制和减小颤振的方法,可用于指导飞机的飞行结构设计及飞机结构的日常维护。

具有不对称间隙的二元机翼自激振动的混沌分析

利用数值方法分析了无预荷载情况下具有不对称间隙的气动弹性非线性与结构非线性耦合的二元机翼颤振问题的动力学响应。通过研究速度比U*/UL*从零逐渐增大到1时系统的全局演化规律,发现在无预荷载的不对称分段线性系统中存在混沌运动形式,并对其进行具体分析,得到产生混沌的原因,为进一步控制和减小颤振提供理论帮助,对飞机的飞行结构设计及飞机结构的日常维护具有指导意义。

基于动柔度法的二元机翼颤振主动控制试验研究

为了实现机翼的振动主动控制,以带后缘控制面的NACA0018型二元机翼为研究对象,研究了动柔度法在振动主动控制中的应用。基于准定常气动力理论建立二元机翼的开环和闭环动柔度模型,采用PD控制器实现系统的极点配置目标。介绍了风洞振动试验的系统组成及试验装置。试验结果表明,基于动柔度法的极点配置理论在无需确实系统的质量、阻尼和刚度特性的前提下能够有效地实现二元机翼系统的振动主动控制,获得期望的动态特征,且系统具有良好的鲁棒性。

二元机翼颤振的分叉点类别的判定

应用中心流形理论将二元机翼颤振这一四维系统降为二维系统，用后继函数判别法对分叉点的真假中心及稳定性问题进行了分析．

具有间隙的二元机翼自激振动的数值分析

利用Runge Kutta法分析了具有不对称间隙的二元机翼自激振动的动力学响应,研究了当U /U L从零逐渐增大到1时系统的周期运动和混沌运动,发现在不对称分段线性系统中存在复杂的运动形式,其中包括从P 1到P 2的倍周期分叉,P 4到P 2,P 2到P 1的倒分岔,同时存在混沌运动形式,而且不同的初值条件所对应的运动形式也有所不同.给出了全局分岔图、局部分岔图、混沌运动的功率谱密度图及3种周期运动的时间历程曲线和相平面图,对于实际的飞行结构设计具有重要的指导意义.

鸭翼位置对二元机翼静气弹特性的影响

在柔性条件下,采用CFD/CSD(计算流体力学/计算结构力学)松耦合静气动弹性数值计算方法,计算分析了Ma为0.2时鸭翼位置对NACA64A010翼型静气弹特性的影响,结果表明:鸭翼高度不同的模型中,具有高位鸭翼的模型气动特性较好,升力系数比具有中位鸭翼的模型高45.4%,最大升阻比比具有中位鸭翼的模型高125%,弹性变形量近似;鸭翼距离不同的模型中,具有远距鸭翼的模型气动特性较好,升力系数比具有近距鸭翼的模型增大约45.13%,在达到失速迎角后,出现了明显的升力系数平台,同时其压力分布更加合理,弹性变形特性得到改善。计算结果可为研究鸭翼对前掠翼静气弹发散特性的影响提供了参考。

二元机翼非线性气动弹性自适应控制

研究了带有前后缘控制面的二元机翼气动弹性颤振主动控制问题。采用多项式非线性模型建立气动弹性动态方程,然后考虑俯仰方向阻尼和刚度存在参数不确定性的情况下,利用Lyapunov稳定性理论设计了具有全局稳定的反馈线性化自适应和结构化模型参考自适应(SMRAC)控制律。仿真结果显示,在控制面偏转存在限制时,所设计的控制律可以有效地实现颤振的抑制,考虑阻尼不确定性对于颤振抑制具有减小收敛时间的作用,但对于系统响应特性占据主导作用的是刚度不确定性。

多控制面对二元机翼静气弹特性的影响

基于CFD/CSD松耦合数值计算方法,以加装前、后缘控制面且刚心靠后的二元机翼为模型,在Ma=0.3时,针对多控制面对二元机翼气动特性和弹性变形特性的影响进行了计算和分析。结果表明,控制面同向偏转时,气动特性略差,但扭转变形得到明显抑制,扭转角峰值θ_(max)相对于无控制面偏转时下降了43.32%~62.92%;控制面反向偏转时,扭转变形特性差,气动特性明显提高,相对于无控制面偏转,最大升力系数C_(lmax)增大了42.96%~57.58%,失速迎角提高了约4°。该研究可为多控制面在前掠机翼气动弹性主动控制中的应用提供参考。

二元机翼颤振抑制的次最优控制

非刚性机翼的颤振是其从气流中吸收能量引起的一种自激振荡。颤振的后果往往是灾难性的。本文采用超声电机作为作动器来实现含控制舵面的二元机翼的颤振主动抑制。首先设计了带有控制面的二元机翼颤振模型,建立了超声电机作动器的传递函数模型。在此基础上推导出机翼-控制面的三自由度气动弹性状态空间方程,并根据输出反馈设计了次最优控制律。数值仿真结果表明,次最优控制可以有效地提高颤振速度并抑制颤振的发生。

高超音速二元机翼的颤振响应研究

在飞机结构设计中,非线性因素不可避免.本文以高超音速流下的,在俯仰自由度上含有立方非线性刚度的二元机翼为研究对象,采用平均法及颤振理论研究了超高速飞机机翼的非线性动力学行为,并通过数值计算验证了理论计算的正确性,给出了对比分析结果.

超声速二元机翼随机混沌运动分析

以考虑随机扰动的超声速二元机翼为研究对象,采用Kapitaniak方法对超声速二元机翼的随机混沌特性进行研究。采用三阶活塞理论推导超声速二元机翼的非线性气动力和气动力矩,建立考虑随机扰动、具有俯仰立方非线性的机翼2自由度运动微分方程,并将其写成4维状态方程的形式;采用中心流形方法对系统进行降维,将系统状态方程从4维降为2维;再联合利用累积量截断法、非高斯截断法获得系统的二维联合概率密度函数及系统的概率时差图,采用Kapitaniak方法分析系统在不同扰动强度下的随机混沌特性;采用系统响应、庞加莱截面图及最大Lyapunov指数等对系统的随机混沌特性进行验证。本研究对超声速二元机翼在复杂环境下的稳定性、安全性及响应特性等研究具有重要的促进作用。

基于干扰观测器的二元机翼颤振抑制及阵风载荷减缓方法研究

针对大展弦比柔性飞机在飞行过程中面临的两类气动弹性问题:颤振抑制与阵风载荷减缓开展研究。首先,建立以飞行速度为时变参数的柔性二元机翼结构动力学模型。其次,提出了基于鲁棒预测控制方法的变参数柔性机翼颤振抑制;同时,引入干扰观测器对阵风扰动进行观测,以干扰估计作为抗干扰控制输入,实现阵风载荷减缓。然后,根据对偶原理,将控制器与观测器独立设计。运用极点配置方法,设计了离散系统干扰观测器。根据Lyapunov理论将变参数系统的鲁棒镇定与颤振抑制问题转换为极大/极小动态规划问题。通过线性矩阵不等式方法求解出相应的预测控制律,并证明了整个闭环系统的稳定性。最后,以某型柔性变参数二元机翼对象为例,进行仿真。结果表明,设计的鲁棒预测控制器可提高约20%的临界颤振速度,且阵风载荷减缓率达到90%。

基于反演滑模的二元机翼颤振控制

针对带后缘面的二元机翼的颤振问题,设计一种反演滑模控制方法对机翼的浮沉和俯仰运动进行控制。首先,基于准定常气动理论建立二元机翼的气动弹性系统模型,然后设计一种反演滑模控制器对机翼颤振进行抑制,并利用Lyapunov理论证明了机翼控制系统的稳定性。仿真结果表明,所提出反演滑模控制方法能提高非线性气动弹性机翼系统的稳定性,并能有效消除颤振。

一类二元机翼动力学模型建立和稳定性分析

本文采用三阶活塞理论推导超声速机翼的非线性气动力和气动力矩,建立了随机扰动下具有俯仰立方非线性效应的二元机翼运动方程。之后进行稳定性分析得到理论颤振速度,并利用MATLAB仿真验证。研究表明,利用三阶活塞理论能更精确得到定常气动力和气动力矩,可以提高机翼动力学研究的可靠性和安全性。