基于分层思路的动态非线性气动力建模方法

《基于分层思路的动态非线性气动力建模方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnaulicaSinicaDec252015V01．36No123785—3797ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：#hkxbbuaa．educahkxb@buaaeduca基于分层思路的动态非线性气动力建模方法寇家庆，张伟伟*，叶正寅西北工业大学航空学院，西安710072摘要：很多非线性气动力模型难以精确预测系统的小扰动线性特征。针对这一局限，提出了一种非线性分层模型，用于辨识跨声速非线性非定常气动力。分层建模需要同时提供微幅振荡和大幅振荡两套训练样本，首先通过线性模型(如

2、带外输入的自回归(ARX)模型)对微幅振荡样本进行建模，而后采用非线性模型(如径向基函数神经网络(RBFNN))对大幅振荡的样本与线性模型的差量进行建模，进而把线性模型和非线性模型的输出相叠加，得到分层非线性动力学模型。算例表明建立的分层气动力模型与单一自回归径向基函数(AR—RBF)神经网络模型相比不仅具有更高的数值精度，可以精确预测大幅运动中的非线性特征，而且在小扰动状态下自动退化为线性模型，能够精确刻画结构微幅振荡下的线性动力学特性。关键词：分层建模；带外输人的自回归；径向基函数神经网络；非定常气动力；跨声速流中图分类号：V211．1+5文献标

3、识码：A文章编号：1000—6893(2015)12-3785—13在气动弹性力学领域，计算流体力学(Corn—putationalFluidDynamics，CFD)与计算结构力学(ComputationalStructureDynamics，CSD)耦合方法是进行非线性流场动力学分析的重要途径。然而，随着物理模型不断复杂，精度要求越来越高，CFD／CSD方法计算量庞大、计算时间长且效率低等缺陷更加突出，不便于具体的工程实践。为解决上述问题，近年来发展了一些基于CFD技术的非定常气动力降阶模型(ReducedOrderModel，ROM)技术[1-

4、3]，该技术通过建立低阶模型，获得了同CFD／CSD耦合计算相近的精度，而计算效率却能够提高一到两个量级L4j，因此被广泛用于流固耦合问题研究。ROM的应用领域主要包括Ⅲ跨声速、大迎角等非线性气动弹性问题，比如飞机的颤振和阵风响应的问题等，其主要任务就是代替CFD／CSD方法，完成系统的动态模拟和气动力辨识。飞行器气动力辨识，是通过系统辨识方法，分析飞行试验或风洞试验数据，估计飞行状态参数和气动导数，由此获得气动参数(或气动力)[5]。在飞行力学领域，飞机大迎角气动力建模已有多年历史。飞机的大迎角运动不同于颤振问题，其迎角变化更大，但减缩频率较小，而

5、且往往只涉及俯仰模态运动。黄达和谈佳桢[63建立了飞行器大振幅运动的气动力模型，并将模型预测结果与风洞试验结果进行了比较；孙海生等[73针对当前大迎角非定常气动力建模方法(非线性代数模型，Fourier函数分析模型等)进行了比较研究，发现了不同建模方法的优缺点。上述研究由于采用的代数模型中微分方程阶次较低，因此难以解决减收稿日期：2015-01—07；退修日期：2015—03—03；录用日期：2015—03—25；网络出版时间：2015—04—2709：46网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V2015042709

6、46001html基金项目：国家自然科学基金(11172237，11572252)；新世纪优秀人才支持计划(NCET·13—0478)*通讯作者．Tel：029-88491342E—mail：aeroelastic@nwpueducag

7、用格式}KouJQ，ZhangWW，YeZY．Dynamicnonlmearaerodynamicsmodelingmethodbasedonlayeredmode

8、￡五．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015，36(12)：3785．3797寇家庚，张伟伟，咔正寅基f分层思

9、路的动态菲线性气动力建模方法!JI航空学报，2015，36(12)：3785—3797．航空学报缩频率较高、迟滞效应较强的非定常流场问题。目前常用的气动力降阶模型主要有基于本征正交分解(ProperOrthogonalDecomposition，POD)的ROM[8‘9]，基于系统辨识技术的ROM(Volterra模型口01、神经网络模型[11‘123和离散差分方程模型[13]等)以及非线性气动力的谐波平衡方法[14

10、。基于系统辨识的ROM，可以分为积分模型与微分模型两种[15

11、。Volterra模型是一种典型的积分模型；微分模型包括了带外输入的自回

12、归(AutoregressivewithExogenousinput，ARX)模型等。由于非线性流场的复杂性