基于非定常涡的结构非线性气动伺服弹性分析

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1、西北工业大学硕士学位论文第一章绪论气动伺服弹性动力响应与气动弹性响应类似，不同的是要考虑伺服控制力的作用．研究飞机结构在外扰力激励下的气动弹性响应，如带飞行控制系统飞机的突风响应。以上的分类只代表气动伺服弹性力学的正问题，即对给定的结构设计和控制系统进行分析，求得系统的稳定性。目前，其反问题也日益受到重视，即给定稳定性指标，进行飞机的气动、结构，控制一体化综合设计。1．1．3结构／控制一体化设计气动伺服弹性力学的反问题即气动、结构／控制一体化设计。传统的结构设计与控制系统设计分别是在独立领域内进行的，然后经由气动伺服弹性分析对系统的伺服颤振特性和伺服稳定性进行验

2、证，以此结果对原始设计进行修正．例如采用陷波滤波器对结构弹性模态与飞行控制系统进行解耦。这种设计方式有其固有的局限性，往往会限制飞机的飞行包线范围，降低飞机的实际飞行性能，并且增加设计工作量。如果在韧始设计阶段就能对结构I控制系统进行综合考虑，则有可能缩短设计周期，提高飞机性能。目前国内外在这方面都进行了一些研究，并取得了⋯定的成果。其中影响最为突出的是主动气动弹性机翼技术的研究，这也成为了现代气动伺服弹性力学研究的重要内容之一。从广义的角度来看，应用复合材料气动弹性剪裁进行被动颤振抑制，以及利用主动控制律设计和伺服控制系统进行主动颤振抑制，都属于气动、结构，控

3、制一体化设计的特例。1．2国内外研究现状气动伺服弹性力学现象十分广泛，基本上可归结为两类问题．即稳定性问题(如颤振和静力发散)和响应问题(如抖振和突风响应)。它们影响飞行器的疲劳寿命、乘坐品质和有效载荷．特别是不稳定现象降低了飞机的机动性，限制了飞行包线，甚至会导致灾难性事故。因此，气动伺服弹性问题在现代飞机设计中占据越来越重要的地位。1．2．1国外发展概况气动伺服弹性研究是随着飞行器的发展而不断演化的。其理论分析计算包含西北工业大学颈士学位论文第一章绪论结构动力分析、空气动力理论和控制系统分析三个方面的内容，缺一不可。并且随着计算结构力学和计算流体力学的发展，

4、正在形成一个所谓的计算气动伺服弹性力学的新学科。在结构分析方面，由简单粱理论发展为复杂的有限元分析；空气动力理论则由片条，活塞和准定常理论进化为完全非定常升力面理论：控制系统分析亦由单变量输入／单变量输出系统的频域奈氏稳定性判断扩大到多变量输入／多变量输出系统的状态空间鲁捧性估计”I。在理论充分发展和工程需求的促进下，气动伺服弹性分析软件也不断涌现。在这方面既有研究者的白编程序m，也有成熟的商业软件如STARSp]、MSC／Nastrani6】、ISAC[7]．它们基本可以解决工程上的气动伺服弹性分析问题，同时也为进一步的理论研究提供了便利途径。在理论研究基础上

5、，还开展了大量的飞行或地面试验，根据试验数据修正确认气动伺服弹性模型【””】。随着飞行速度的提高和智能材料的开发，主动颤振抑制(AFS)、主动柔性机翼(AFW)和主动气动弹性机翼(AAW)技术进一步转化到实际工程中I”o”。这些技术是主动控制技术与气动伺服弹性研究的结台，也可以认为是气动伺服弹性问题研究的延伸。结构／控制一体化设计必将取代结构和控制设计分别进行的传统做法【l“。气动伺服弹性力学也正面临更严峻的挑战，并已经成为飞机设计中的热门研究课题。1．2．2国内研究现状国内的气动伺服弹性研究始于二十世纪70年代，相继在多个机型上实施了气动伺服弹性分析，同时也开

6、展了气动伺服弹性综合技术的理论研究和实验验证H5-20]，在系统不确定性建模和鲁棒稳定性方面也进行了一定的研究B1∞】。1．2．3非线性气动伺服弹性问题传统的气动伺服弹性问题研究中，假定气动伺服弹性系统为线性系统，在结构非线性气动弹性问题的研究中发现了非常重要的极限环振荡现象，这类问题虽不像经典颤振那样会导致发散振动，引发灾难性事故，但是也会引起一系列的疲劳问题-影响飞机的正常使用寿命。这种小幅极限环振荡在线性系统中是不会产生的，从而使得非线性问题进入了气动伺服弹性的研究范围。非线性气动伺服弹性问题的研究主要分为三个方面：(1)基于计算流体力学(CFD)的非线性

7、气动力如跨音速和大攻角下气动4西北工业大学硕士学位论文第一章绪论力计算问题；(2)非线性结构如间隙、立方型剐度等因素的影响；(3)非线性控制环节的影响。到目前为止，许多学者在这些方面进行了大量工作，由于CFD的计算复杂性，其中在(1)、(2)或(1)、(3)方面综合的研究还尚未出现；在(2)、(3)方面综合的工作至今可检索到的工作很少‘”I，多数工作仍分别集中于(1)iz4-27]和(2)f2“31】两个方面。l3结构非线性气动伺服弹性分析结构非线性一般指集中环节的结构非线性，如间隙和立方型刚度和干摩擦非线性环节等。在气动伺服弹性分析中引入结构非线性因素之后，其

8、分析方法上可以借鉴研究较