弹性飞行器飞行动力学问题研究

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1、分类号V211学校代码10699密级公开学号2011100225西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：弹性飞行器飞行动力学问题研究作者：华如豪学科专业：流固耦合与控制指导教师：叶正寅2017年11月ResearchonFlightDynamicsofFlexibleAircraftsByHuaRu-haoUndertheSupervisionofProfessorYeZheng-yinADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthed

2、egreeofDoctorofFluid-StructureInteractionandControlXi’anP.R.ChinaNovember，2017摘要摘要更快的飞行速度、更大的有效载荷以及更高的机动性和敏捷性是现代飞行器特别是军用飞行器普遍追求的设计理念，导致此类飞行器呈现出更轻的结构重量、更大的柔性等结构特点，促使基于刚体模型来研究飞行动力学问题的传统思路需要发生改变。飞行速域的不断加宽，飞行迎角范围的不断加大，以及弹性飞行器飞行动力学涉及空气动力学/刚体动力学/结构动力学/控制理论等多学科耦合的特性，使得此类问题研究中最为关注的气动特性呈现出显著的非线性和非定常特征，也导致传统

3、的气动力简化模型显示出较多的局限性。针对大长细比（大展弦比）飞行器实际飞行中容易产生比较明显的弹性变形，为了准确获取弹性飞行器的飞行动力学特性，本文从更精确获取飞行器气动载荷的角度出发，基于计算流体力学技术(computationalfluiddynamics,CFD)和广义运动网格方法开发出一套适用于弹性飞行器飞行动力学分析的数值仿真系统，并对典型弹性飞行器的气动特性及飞行动力学稳定性问题进行了详细研究。论文的主要研究内容如下：1）基于非结构混合网格，建立了集成刚体运动网格技术、动态嵌套网格技术和网格变形技术的广义运动网格方法，可以通过一种或几种运动网格技术的组合以解决CFD数值模拟中存在

4、的运动边界和运动域问题；针对非结构混合网格数据存储的随机性，采用RCM（ReverseCuthill-Mckee）算法对网格和节点编号进行重排序，以减小带宽，加快收敛速度，算例对比结果表明，计算时间可缩短约1/3，整体效率也比商业软件FLUENT提高10%左右。2）针对弹性变形和刚体运动带来的网格运动效应，介绍了基于任意拉格朗日-欧拉方法（ALE）描述的非定常流动控制方程及其离散方法；基于平均弹轴系的假设，建立了适用于弹性飞行器飞行动力学分析的方程，并根据飞行动力学方程的数学性质，介绍了时域推进求解此方程组的半隐式杂交线性多步法；针对弹性飞行器飞行动力学问题涉及多学科耦合的特点，分别采用多种

5、不同构型的算例重点验证了本文求解器进行多学科耦合问题仿真时的计算精度。算例对比结果表明，本文求解器的数值结果和风洞实验、飞行试验以及第三方文献的计算结果均吻合得很好。3）基于广义运动网格方法和CFD技术，建立了一套适用于弹性飞行器静配平问题的求解方法。针对构建的某大长细比火箭弹模型，不同初始迎角条件的收敛过程证明了算法的高效性和鲁棒性。之后研究了刚度特性、过载条件以及推力偏心效应对弹性弹箭配平条件的影响，并根据气动中心位置的变化揭示了弹性效应影响导弹配平条件的机理是载荷重分布改变了飞行器气动中心的位置，而弹性效应带来的偏心力矩使得导弹的静稳定裕度进一步降低，对配平特性的影响也会随之增加。4）

6、针对大展弦比无人机结构低阶固有频率接近其刚体运动短周期模态频率的特点，比较了加入机翼弯曲模态前后其飞行动力学特性的变化，结果表明刚体运动和弹性振I西北工业大学博士学位论文动间可能出现耦合发散现象；对于最低阶结构固有频率比短周期模态频率大得多的大长细比火箭弹，研究结果表明弹性变形和刚体运动的耦合体现为弹性效应改变了气动中心的位置，从而对飞行轨迹和运动姿态产生定量影响，一般不会出现失稳现象，此时可采用准定常假设求解结构变形，以提高计算效率；通过对空空导弹空中分离过程的计算仿真，研究了弹性变形对分离体运动轨迹的影响，结果表明考虑弹性变形时分离过程中导弹的俯仰角振荡周期有所增加，主要也是由于弹性变形

7、使焦点前移，静稳定裕度降低。5）基于弹性飞行器数值飞行仿真平台，通过引入PID(比例-积分-微分)反馈控制环节，系统研究了弹性飞行器的闭环动力学特性。仿真结果表明，所设计的闭环控制系统作用下，刚性飞行器能够准确地实现控制指令的要求；当考虑弹性振动对传感器感测到的角速度和角加速度信号的干扰时，原来按照刚体模型设计的闭环系统会出现不同程度的气动伺服弹性发散问题，而弹性振动效应对传感器感受到的质心速度和加速度的干扰