浮筏隔振系统动力学建模与软件开发

现代舰船机电设备多采用大型浮筏隔振系统进行动力设备的隔振与冲击隔离。基于多刚体动力学理论,建立复杂空间多刚体系统动力学方程,可以用于浮筏系统方案设计阶段的摇摆、振动与抗冲击计算。首先建立各子系统的动力学方程,再通过各子系统的组装得到整个系统的动力学方程。系统的刚度和阻尼矩阵均可以通过方向余弦矩阵R、迁移变换矩阵T等矩阵之间的基本运算得到,无须矩阵求导和方程线性化。理论推导得到的质量、刚度矩阵和阻尼矩阵与有限元法生成的质量、刚度、阻尼矩阵完全一致,验证本方法建模的准确性。在此基础上,在MATLAB环境下用App Designer开发一款浮筏隔振系统静、动态分析软件,可对浮筏隔振系统的静力、摇摆、振动与抗冲击性能进行快速预报,结果与有限元法计算结果吻合良好。该软件有望解决浮筏隔振系统在初期设计阶段计算周期长且繁琐的难题。

折叠翼飞行器的动力学建模与稳定控制

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性.由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性,结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿,针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性,并进行数学仿真验证.仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.

车载状态下测风激光雷达的浮筏减振研究

为了减弱振动对车载激光雷达测量精度和稳定性的影响,借鉴浮筏减振系统在船舶领域的成功使用,对其进行了浮筏减振布局设计。采用多刚体动力学建模方法对系统在简谐激励下的减振性能进行了分析,得出系统各处减振器参量对系统减振效果的影响。根据选定的减振参量,结合所选车型,经过计算得到激光雷达主体的传递率峰值,有效避开了汽车运输过程中的激振频率,且几乎在有效的激振频率范围内传递率曲线都小于1;经计算得到冲击作用下的振动量程没有越过减震器的有效减震范围,符合理论要求;通过振动状态下激光雷达和探空气球所测风速数据的对比,验证了减振设计对保证测量精度的效果;通过静止和模拟振动状态下激光雷达的锁频效果对比,证明了浮法减振设计在车载系统中应用的可靠性。结果表明,浮筏减振设计应用于车载测风激光雷达是合理的、成功的。