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梯度风场滑翔仿生飞行器设计与仿真

航空兵器 2024年

作者：刘建河王孟硕刘坤李人澍黄伟李加东中国科学院多功能材料与轻巧系统重点实验室长春理工大学机电工程学院中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

将信天翁从梯度风场中获取能量滑翔数千英里的飞行策略应用在飞行器上是突破飞行器续航瓶颈的重要方法之一。本文结合信天翁身体特性和飞行策略，设计了一种具有信天翁仿生外形、气动布局和控制方式的仿信天翁飞行器，巡航时升阻比为梯... 详细信息

将信天翁从梯度风场中获取能量滑翔数千英里的飞行策略应用在飞行器上是突破飞行器续航瓶颈的重要方法之一。本文结合信天翁身体特性和飞行策略，设计了一种具有信天翁仿生外形、气动布局和控制方式的仿信天翁飞行器，巡航时升阻比为梯形翼飞行器的1.13倍，最大可达梯形翼飞行器升阻比的1.31倍，通过翼尖变形阻力最高可减小12%，翼根载荷减小35%。根据信天翁在滑翔时不时扑动翅膀的行为提出了间歇动力梯度风滑翔方法，对仿信天翁飞行器进行了风梯度滑翔操控性能仿真。结果表明实际飞行路径与风梯度滑翔路径的误差小于5%，能量消耗为匀速飞行的51.5%，验证了间歇动力梯度风滑翔策略的合理性。

关键词：梯度风场飞行策略仿生无人机变形机翼操控性能

基于三角双锥张拉结构和并联机构的变形机翼分析

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基于三角双锥张拉结构和并联机构的变形机翼分析

作者：孙健燕山大学

学位级别：硕士

随着航空产业的发展,对现代飞机提出了更高的要求。飞机不仅需要在复杂的飞行环境下执行各种任务,而且要始终保持优异的空气动力特性。变体飞机可以在整体和局部改变机翼的尺寸和形状,使其适应不同的飞行环境,满足不同的任务需求。未来... 详细信息

随着航空产业的发展,对现代飞机提出了更高的要求。飞机不仅需要在复杂的飞行环境下执行各种任务,而且要始终保持优异的空气动力特性。变体飞机可以在整体和局部改变机翼的尺寸和形状,使其适应不同的飞行环境,满足不同的任务需求。未来的变形机翼需要更轻的质量,更高的刚度和可靠性以及灵活的变形能力。然而张拉结构作为一种刚度可调的轻质结构,通过模块化装配,成为了优秀的机翼主梁替代者。嵌入承载结构的分布式驱动可以提高机翼整体刚度,降低局部驱动力的幅值,实现机翼局部和整体的灵活变形。因此提出了一种基于三角双锥张拉结构和并联机构的变形机翼。本文的主要研究内容如下:(1)变形机翼构型设计。基于张拉结构的自应力平衡条件,构型设计出一种由刚性杆和有预应力柔性索组成的三角双锥张拉结构。基于机翼所受的主要载荷和基本单元结构形式,对组合单元的布局方式进行仿真优化,得到空间中心对称的布局方式。基于机翼变形运动和组合单元布局方式,对驱动分支和中心分支进行构型设计与优选,得到4SPS-RS机翼变形机构。将二者串联起来,组成了变形机翼的主梁结构。(2)机翼变形机构运动分析。基于GK公式,计算机翼变形机构的自由度。基于牛顿迭代法和位姿变换矩阵,建立该机构的位置正反解。基于速度雅可比矩阵和旋量图论理论,建立该机构的运动学理论模型。(3)机翼变形机构力学分析。基于力雅可比矩阵,建立机翼变形机构的静力学的理论模型,得到在静止状态下,机构驱动分支的平衡力与末端位置约束力的映射关系。建立该机构的牛顿欧拉动方程,得到了机翼在重力,升力和阻力的外载荷条件下,各个被动关节位置约束力和约束力矩,以及驱动分支驱动力随机构位姿的变化规律。以最大驱动力和波动系数为目标,对机翼变形机构的尺度进行优化设计。(4)变形机翼刚度分析。建立三角双锥张拉结构的切线刚度矩阵,得到节点位置的形变量与外载荷的映射关系。基于机翼变形机构的分支刚度矩阵和雅可比矩阵,建立该机构的刚度理论模型。基于建立的变形机翼刚度理论模型,同时改变机翼的后掠角,扭转角,展向弯度和展向跨度,得到末端位置形变量的变换规律。

关键词：变形机翼张拉结构并联机构索杆刚度分布式驱动

用于变形机翼夹心式柔性伸缩蒙皮的梯形蜂窝支撑结构

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复合材料学报 2015年第3期32卷 815-822页

作者：沈元昂海松刘卫东南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室南京210016

变形机翼技术的实现离不开柔性蒙皮技术的支持,提出了一种应用于变形机翼夹心式柔性伸缩蒙皮的面内褶皱型梯形蜂窝蒙皮支撑结构。通过理论分析研究了该支撑结构的面内伸缩特性,得到其面内横向无量纲化等效弹性模量大小与3个参数(形状系... 详细信息

变形机翼技术的实现离不开柔性蒙皮技术的支持,提出了一种应用于变形机翼夹心式柔性伸缩蒙皮的面内褶皱型梯形蜂窝蒙皮支撑结构。通过理论分析研究了该支撑结构的面内伸缩特性,得到其面内横向无量纲化等效弹性模量大小与3个参数(形状系数k、宽度系数t和高度系数h)之间的关系:其等效弹性模量随k增大而减小,随t增大而增大,随h增大而减小。利用ANSYS软件对其进行了有限元分析并通过实验对其面内力学特性进行了验证。结果表明:理论分析、有限元结果与实验结果基本吻合。通过选择合适的结构参数,其面内横向等效弹性模量可达到原材料弹性模量的10-4,比同等参数下手风琴式支撑结构的面内横向等效弹性模量更小,变形能力更强。相比传统蒙皮支撑结构,该结构可以减小变形过程中的驱动力与能量消耗,提高柔性蒙皮的变形效率。

关键词：变形机翼梯形蜂窝柔性蒙皮弹性模量有限元分析

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基于扩张状态观测器的变形机翼抗饱和控制

系统工程与电子技术 2019年第3期41卷 619-625页

作者：王青刘雨昂刘晨董朝阳北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

针对一类滑动蒙皮机翼模型的强非线性、模型不确定性、未知外部干扰以及执行器饱和特性,提出了基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的抗饱和控制方法。通过将变形机翼系统的不确定性视为扩张状态,设计了ESO对扩张状态进行... 详细信息

针对一类滑动蒙皮机翼模型的强非线性、模型不确定性、未知外部干扰以及执行器饱和特性,提出了基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的抗饱和控制方法。通过将变形机翼系统的不确定性视为扩张状态,设计了ESO对扩张状态进行估计;并在控制策略中,对观测出的扩张状态进行实时补偿;利用线性矩阵不等式工具给出了执行器饱和条件下的收敛域。数值仿真结果表明变形机翼系统可以有效克服模型不确定性、未知外部干扰与执行器饱和的影响,完成变形指令。

关键词：变形机翼扩张状态观测器自抗扰控制抗饱和控制模型不确定性

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平面两自由度变形机翼的动力学建模与控制

兵工学报 2012年第10期33卷 1194-1201页

作者：史榕颀宋建梅张明亮北京理工大学飞行器动力学与控制教育部重点实验室北京100081

研究一种两自由度平面变形机翼的动力学建模与控制问题。采用分析力学Lagrange方法建立了变形机翼多刚体动力学模型,模型考虑了机翼前缘所受到的空气动力载荷和外部弹性蒙皮等因素。由于变形机翼是一个强耦合、冗余驱动的非线性多输入... 详细信息

研究一种两自由度平面变形机翼的动力学建模与控制问题。采用分析力学Lagrange方法建立了变形机翼多刚体动力学模型,模型考虑了机翼前缘所受到的空气动力载荷和外部弹性蒙皮等因素。由于变形机翼是一个强耦合、冗余驱动的非线性多输入多输出系统,采用伪逆法设计冗余驱动系统的控制分配器,采用动态逆方法实现系统精确线性化及两自由度的解耦控制,并与传统PID方法相结合构成了冗余驱动变形机翼的控制系统。通过ADAMS动力学仿真,对所建立的动力学方程进行了模型验证,并通过Matlab控制系统仿真,测试了系统的控制性能。研究结果表明,将Lagrange方法、伪逆法、动态逆控制、传统PID方法相结合可以有效解决平面两自由度冗余驱动变形机翼的动力学与控制的基本问题。

关键词：自动控制技术变形机翼 Lagrange方程冗余驱动伪逆法动态逆

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一种刚性可变形机翼的研究分析

发明与创新（高中生） 2022年第10期 24-29页

作者：沈一麒潘逸飞周智敏(指导) 上海市敬业中学上海市久隆模范中学不详

近两年,可变形飞机的研究引起了人们广泛的关注。目前,人们主要通过改变机翼形状来提高飞机的飞行效率,使飞机的飞行性能达到最佳。变形机翼研究的材质可分为刚性和柔性,研究的变形种类有角度、翻转、折叠及伸缩等。折叠的方向有纵向和... 详细信息

近两年,可变形飞机的研究引起了人们广泛的关注。目前,人们主要通过改变机翼形状来提高飞机的飞行效率,使飞机的飞行性能达到最佳。变形机翼研究的材质可分为刚性和柔性,研究的变形种类有角度、翻转、折叠及伸缩等。折叠的方向有纵向和横向。

关键词：飞行性能变形飞机变形机翼飞行效率折叠刚性

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基于手性超结构设计的可变形机翼研究进展

航空科学技术 2022年第1期33卷 20-36页

作者：刘凯曹晓飞李营方岱宁北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

安全、稳定、高效是当前飞机机翼设计领域重点关注的问题。机翼是提供升力的主要部件之一,可变形机翼在改善飞机整体性能方面有巨大潜力。以智能材料为代表的新材料的发展对机翼柔性蒙皮、驱动装置、控制技术以及轻量化结构产生了革命... 详细信息

安全、稳定、高效是当前飞机机翼设计领域重点关注的问题。机翼是提供升力的主要部件之一,可变形机翼在改善飞机整体性能方面有巨大潜力。以智能材料为代表的新材料的发展对机翼柔性蒙皮、驱动装置、控制技术以及轻量化结构产生了革命性的变革,拓展了手性拓扑结构的应用范围。基于手性拓扑结构、飞机机翼的气动性能分析、先进的制备工艺等技术而设计的变形机翼,可在不同飞行速度、飞行坡度以及周围流场改变其机翼形状,从而提高飞行效率,这是飞机机翼结构设计的前沿领域,也是未来重要的发展方向。本文介绍了手性超结构的设计方法及当前的研究现状,总结阐述了当前国内外基于手性拓扑结构设计的可变形机翼的研究进展,为我国可变形飞机机翼的设计提供参考。

关键词：变形机翼柔性材料手性拓扑结构气动性能飞行效率

基于压电纤维复合材料变形机翼结构设计和实验研究

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北京工业大学学报 2021年第1期47卷 1-9页

作者：郭翔鹰王帅博王松松北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124

为了改善现有机械式变形机翼结构气动效率较低的缺点,以压电纤维复合材料(marco-fiber composite,MFC)为驱动器,碳纤维增强复合材料为承重件,设计了一种可实现机翼后缘连续光滑变形的智能机翼.基于实验通过改变电压大小研究了MFC在直流... 详细信息

为了改善现有机械式变形机翼结构气动效率较低的缺点,以压电纤维复合材料(marco-fiber composite,MFC)为驱动器,碳纤维增强复合材料为承重件,设计了一种可实现机翼后缘连续光滑变形的智能机翼.基于实验通过改变电压大小研究了MFC在直流电载荷下机翼的变形能力,改变交流电及横向激励幅值、频率等参数研究了机翼受气动载荷下的动态特性.结果表明,变形机翼后缘偏转角与驱动电压近似成正比关系,最大偏转角为4.7°,外侧机翼振动幅值均大于内侧机翼,动态稳定性弱于内侧.研究为压电材料驱动变形机翼的结构设计和动态实验研究提供参考.

关键词：变形机翼压电纤维复合材料动态特性分析实验研究机电耦合结构设计

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机翼中小尺度主动变形研究进展及关键技术

机械工程学报 2021年第2期57卷 121-138页

作者：周文雅张宗宇王晓明吕维梁钱卫大连理工大学航空航天学院大连116024 中山大学航空航天学院广州510006

变形机翼能够根据飞行工况的变化,主动调节自身形状以改善飞行器任务适应性,是未来飞行器设计的研究前沿与热点。阐述国内外机翼中小尺度主动变形技术的研究进展,围绕机翼设计中柔顺变形能力与气动承载能力间冲突,对现阶段变翼型弯度、... 详细信息

变形机翼能够根据飞行工况的变化,主动调节自身形状以改善飞行器任务适应性,是未来飞行器设计的研究前沿与热点。阐述国内外机翼中小尺度主动变形技术的研究进展,围绕机翼设计中柔顺变形能力与气动承载能力间冲突,对现阶段变翼型弯度、变厚度和扭转变形机翼中的机械变形结构设计方案进行重点分析探讨。对变形机翼设计中变形蒙皮、轻质高输出驱动系统、协调变形控制系统设计等关键技术的研究瓶颈及技术方案进行阐述分析,探讨变形机翼未来发展方向,为变形机翼设计与工程应用提供技术参考。

关键词：变形机翼主动变形变翼型弯度变厚度机翼扭转变形蒙皮