变体飞行器动力学建模及气动弹性特性研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目变体飞行器动力学建模及气动弹性特性研究作者：胡巍学科专业：固体力学指导教师：杨智春教授2017年10月Title:StudiesonDynamicModelingandAeroelasticCharacteristicsofMorphingAircraftByHuWeiUndertheSupervisionofProfessorYangZhichunADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequir

2、ementForthedegreeofDoctorofSolidMechanicsXi‟anP.R.ChinaOctober2017摘要摘要变体飞行器是一种可以在飞行过程中根据不同的任务要求大范围地改变机翼构型的飞行器，因此相比于常规的固定翼结构形式的飞行器，可以实现不同飞行条件下的性能最优。由于变体飞行器机翼构型的大范围变形，其结构动力学特性与气动力特性都将发生剧烈的变化，在时变的结构与气动力的耦合作用下，使得变体飞行器的气动弹性问题比固定翼飞行器的气动弹性问题更为复杂。因此，对变体飞行器气动弹性问题的研究具有重要的学术意义和工程实用价值。在各类变体飞行器设计方案中

3、，折叠翼飞行器的变体形式易于实现，且变体过程中机翼构型变化对飞行性能的影响非常明显，因而受到了研究人员的广泛关注。因此，本文以折叠翼变体飞行器为研究对象，开展了折叠翼模型动力学建模、变体过程中的非定常气动力建模等方面的研究工作，并以由结构动力学模型和气动力模型耦合关系建立的气动弹性模型为平台，研究了变体运动对折叠翼气动弹性稳定性特性的影响，以及间隙非线性环节对折叠翼气动弹性响应特性的影响。最后通过折叠翼模型的气动弹性风洞实验，研究了折叠角和间隙非线性环节对折叠翼模型气动弹性特性的影响，并验证了本文提出的折叠翼气动弹性建模方法的有效性。本文的主要内容如下：（1）提出了一

4、种简化的两段式折叠翼多刚体时变气动弹性模型。通过拉格朗日乘子法建立折叠翼模型的时变动力学模型，针对变体过程中的非定常气动力计算问题，采用偶极子格网法及Kriging代理模型技术，计算变体过程中的非定常气动力。并通过动力学模型和气动力模型的耦合关系，建立了变体过程中两段式折叠翼的气动弹性模型。首次阐明了折叠翼气动弹性模型中的速度二次项是变体运动对折叠翼气动弹性系统产生附加阻尼效应的根源。通过对时域仿真结果的分析，进一步研究了该阻尼效应对系统稳定性的影响规律。（2）以两段式折叠翼多刚体时变气动弹性模型为研究对象，通过时域仿真方法首次实现了对存在立方刚度非线性环节的气动弹性

5、时变系统响应特性的仿真，并分析了折叠角、初始条件等参数对变体过程中的非线性气动弹性响应特性的影响。对照准静态下（即固定折叠角构型时）非线性气动弹性系统关于折叠角和初始条件的吸引域，提出了一种通过准静态下的吸引域预计折叠翼变体过程中非线性气动弹性响应特性的方法。（3）考虑结构的弹性变形时，通过Craig-Bampton方法、混合坐标方法及拉格朗日乘子法建立了一种典型的“Z”型折叠翼的时变动力学模型。在气动力建模时，综合遗传优化算法和样条插值技术，提出了一种可保持气动力模型精度的气动力降阶建模方法。通过动力学模型和气动力模型的耦合关系，建立了折叠I西北工业大学博士学位论文

6、翼的气动弹性模型，该模型中同样包含了速度二次项。通过时域仿真结果发现，不同的变体方式（展开/折叠）下速度二次项对系统产生不同的附加阻尼效应，且该阻尼效应的影响随着变体速率的增大而增大。（4）首次设计制作了一种“Z”型折叠翼气动弹性风洞实验模型，为了实现折叠翼实验模型中的铰链间隙，设计了一种可以调节铰链刚度和间隙的铰链接头。通过风洞实验，分别研究了仅内铰链存在间隙、仅外铰链存在间隙和内、外铰链同时存在间隙时的折叠翼非线性气动弹性响应特性。并在风洞实验中观察到了折叠翼的LCO运动现象，随着风速的增大，LCO运动的幅值逐渐增大，且LCO响应的高频成份所占比例逐渐减小，响应逐

7、渐趋于单一频率LCO运动形式。通过风洞实验结果与理论模型计算结果的对比，验证了本文提出的折叠翼气动弹性建模方法的有效性。关键词：变体飞行器，折叠翼，时变系统，气动弹性，非线性气动弹性IIAbstractAbstractWiththedevelopmentofunmannedairvehicles,somemorphingaircraftconceptshavebeenproposed.Comparedwiththeconventionalaircraftdesigns,themorphingaircraftcanchangethewinggeomet