柔性自旋飞行器动力学分析与稳定性研究

《柔性自旋飞行器动力学分析与稳定性研究》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、中图分类号：O326UDC分类号：531.3柔性自旋飞行器动力学分析与稳定性研究徐天富2015年9月中图分类号：O326UDC分类号：531.3柔性自旋飞行器动力学分析与稳定性研究作者姓名徐天富学院名称宇航学院指导教师荣吉利教授答辩委员会主席郑钢铁教授申请学位工学博士学科专业一般力学与力学基础学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年9月26日DynamicsAndStabilityAnalysisofFlexibleSpinningFlightVehiclesCandidateName：TianfuXu

2、SchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.JiliRongChair,ThesisCommittee：Prof.GangtieZhengDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：GeneralandFoundamatalMechanicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：September26,2015研究成果声明

3、本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要随着现代弹箭技术的发展，对弹箭的射程、精度等指标要求越来越高。为了达到更高的战技指标，弹箭飞行器做的越来越细长，弹体结构的弹性变形

4、已不可忽略，此时应该将其视为柔性弹箭来进行分析，不宜再采用刚体模型。同时采用自旋飞行模式的这类弹箭飞行器，在结构的弹性小变形、刚性大运动以及绕轴向自旋的耦合作用下，其运动形式将变得更为复杂。因此，在对这类飞行器总体设计时，必须充分考虑自旋和柔性所带来的独特的动力学特性、气动弹性以及稳定性等问题。开展柔性自旋飞行器的动力学研究，研究自旋弹箭振动的相关理论，揭示自由飞行时弹箭共振及失稳的机理，将具有重要的理论意义和实际工程意义。本文的研究工作主要以柔性自旋飞行器为研究对象，考虑了多种因素的影响，建立了柔性自旋飞行

5、器自由飞行时的一般运动方程，分析了自旋引起的陀螺效应对弹体结构动力特性的影响，研究了飞行器主动段随动推力作用下的结构动力特性问题，并对自由飞行时做一般运动的柔性自旋飞行器的气动弹性稳定性和动力响应情况进行了分析和总结。首先将转子动力学的基本思想融入到时飞行动力学和外弹道学中，将柔性弹箭简化为自由边界条件下非均匀的转子梁轴模型，利用假设模态方法对连续系统进行离散，考虑陀螺效应、剪切变形、随动推力作用以及气动弹性效应等多种因素，通过非保守系统拉格朗日方程推导出柔性自旋飞行器飞行时的一般运动方程，该方程包括飞行器的

6、弹性振动微分方程、角速率方程和攻角方程，由此得到了较为全面的自旋柔性飞行器的动力学模型。考虑自由飞行时飞行器结构的自振特性，此时忽略了飞行器的刚性大运动和气动力的作用，计入陀螺效应、转动惯量以及剪切变形的影响分析了飞行器结构的弹性振动特性，采用有限元方法建立了自旋飞行器横向振动的运动方程和频率方程，验证了转子动力学方法在自旋飞行器横向振动问题当中的适用性，并通过数值仿真分析了弹体进动频率和不平衡响应随转速变化的情况。在自振特性研究的基础上计入了随动推力的作用，推导了推力和轴向力引起的单元刚度矩阵，采用有限元方

7、法建立了随动推力作用下的自旋飞行器横向振动微分方程和频率方程。研究了柔性飞行器的自旋和随动推力对结构横向振动的影响，对不同条I北京理工大学博士学位论文件下临界推力及稳定性情况进行了分析，同时对随动推力作用下的不平衡响应进行了数值仿真，分析和总结了结构的失稳条件。计入飞行器的刚性大运动和气动力的作用，对柔性自旋飞行器飞行时的一般运动方程进行合理的简化和变换，分别得到了柔性自旋飞行器的气动弹性稳定性方程和用于实际工程求解的运动微分方程。针对典型外型的自旋飞行器，分析了不同转速、随动推力、结构阻尼、是否考虑马格努斯

8、效应等因素对飞行器气动弹性静稳定性和动稳定性的影响，同时对不同条件下气动力和质量偏心力作用时的动力响应结果进行了数值计算。计算结果表明，影响柔性自旋飞行器稳定性的因素并不单一，转速、推力、结构阻尼等因素都会对飞行器稳定性造成不同程度的影响，在稳定性分析时需要对这些因素进行综合的考虑和分析。针对以上推导的相应理论和公式，编制了相应的数值计算程序。对部分数值计算结果与其他研究成果进行了对比，较好地验证了