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折叠翼飞行器仿真分析与实验研究

折叠翼飞行器仿真分析与实验研究

作者：陈三亚天津理工大学

学位级别：硕士

折叠翼飞行器可根据不同飞行环境改变机翼的气动外形,实现一机多任务要求。在飞行过程中折叠翼飞行器的机翼构型改变、结构柔性变形以及气动力相互耦合,导致飞行稳定性及操作性受到严重影响。因此,开展折叠翼飞行器仿真分析和实验研究... 详细信息

折叠翼飞行器可根据不同飞行环境改变机翼的气动外形,实现一机多任务要求。在飞行过程中折叠翼飞行器的机翼构型改变、结构柔性变形以及气动力相互耦合,导致飞行稳定性及操作性受到严重影响。因此,开展折叠翼飞行器仿真分析和实验研究有十分重要意义。论文主要研究内容如下:提出两种用于折叠翼飞行器的折展机构,建立运动学方程。拟定飞行器总体设计参数,选择翼型,利用三维建模软件完成折叠翼飞行器的设计与建模,进行运动仿真分析,分析并验证结构设计的合理性。通过ANSYS对关键承力结构进行强度校核。简化折叠翼飞行器三维模型,基于CFD开展气动仿真分析,得到不同折叠角度不同攻角下模型的气动数据和压力云图,将气动数据绘制成气动曲线和气动曲面,分析折展过程中飞行器的气动特性变化规律。通过MATLAB拟合气动数据,得到折叠翼飞行器包含折叠角度和攻角的气动模型。搭建刚柔气动耦合仿真平台,对折叠翼飞行器动态折展过程进行仿真分析。对折叠翼飞行器的流场压力云图和翼剖面压力曲线进行分析,得到折展过程中飞行器的气动特性变化规律。对机翼的应变、应力和变形云图进行分析,研究机翼的结构响应特性以及流场变化引起的刚柔气动耦合效应。加工制作两种折叠翼飞行器的样机模型,对样机模型开展地面实验,获取折展过程中的运动参数,通过结构振动实验获取不同折叠角度时的固有频率。基于PIXHAWK采集数据,开展试飞试验,观测飞行器的运动规律和飞行高度变化曲线,对比验证气动仿真结果。

关键词：折叠翼飞行器结构设计仿真分析样机模型试飞试验

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高速折叠翼飞行器气动布局优化设计技术研究

北京航空航天大学学报 2023年

作者：袁亚刘君余家泉张程任鹏飞中国运载火箭技术研究院大连理工大学运载与力学学部

为解决在内部载荷和外部发射装置约束条件下高速复杂折叠翼飞行器气动布局优化设计问题，提出了基于CST和直接参数结合的折叠翼飞行器参数化建模方法，开发了基于物面法矢量快速修正的粘性气动特性快速计算方法，并围绕飞行器气动性能... 详细信息

为解决在内部载荷和外部发射装置约束条件下高速复杂折叠翼飞行器气动布局优化设计问题，提出了基于CST和直接参数结合的折叠翼飞行器参数化建模方法，开发了基于物面法矢量快速修正的粘性气动特性快速计算方法，并围绕飞行器气动性能的多目标优化设计，构建了基于Kriging-GA的高速折叠翼飞行器多目标优化算法框架和优化流程，实现对高速折叠翼飞行器气动布局的优化设计，获得了多目标多约束下的优化解集，可指导高速折叠翼飞行器气动布局优化设计。

关键词：折叠翼飞行器参数化 Kriging-GA算法气动性能多目标优化

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折叠翼飞行器发射段鲁棒非线性控制系统设计

航空学报 2011年第10期32卷 1879-1887页

作者：曹立佳张胜修李晓峰刘毅男第二炮兵工程大学自动控制工程系陕西西安710025

为解决折叠翼飞行器在发射段各项特性变化较大、对飞行控制律鲁棒性要求较高的问题,设计了一种以块控反步法为基础的自适应鲁棒非线性控制器。在发射段动态模型基础上,该控制器采用径向基函数(RBF)神经网络自适应逼近飞行器特性变化时... 详细信息

为解决折叠翼飞行器在发射段各项特性变化较大、对飞行控制律鲁棒性要求较高的问题,设计了一种以块控反步法为基础的自适应鲁棒非线性控制器。在发射段动态模型基础上,该控制器采用径向基函数(RBF)神经网络自适应逼近飞行器特性变化时的系统未知不确定性和干扰,通过在虚拟控制律中引入动态面控制技术避免多重微分运算,克服了传统反步法所带来的"项数膨胀"问题。利用Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统有界且跟踪误差指数收敛于零的一个小邻域。在考虑未知不确定性的情况下,对某型折叠翼飞行器进行的6自由度(DOF)飞行仿真结果验证了所设计控制器的有效性和鲁棒性。

关键词：折叠翼飞行器飞行控制反步法 RBF神经网络动态面未知不确定性

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折叠翼飞行器的动力学建模与稳定控制

力学学报 2020年第6期52卷 1548-1559页

作者：宋慧心金磊北京航空航天大学宇航学院北京100191

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性.由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于... 详细信息

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性.由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性,结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿,针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性,并进行数学仿真验证.仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.

关键词：折叠翼飞行器多刚体动力学建模扩张状态观测器稳定控制

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折叠翼飞行器鲁棒飞行控制系统设计方法

控制与决策 2008年第7期23卷 833-836,840页

作者：姜智超吴森堂金宪哲北京航空航天大学自动控制系北京100083

为解决折叠翼飞行器在机载发射段主升力翼面/立尾展开前后气动特性变化较大,以及对飞行控制律鲁棒性要求较高的问题,基于飞行器六自由度非线性动态模型,应用随机鲁棒分析与设计方法(SRAD),对机载发射段折叠翼飞行器的翼面/立尾展开过程... 详细信息

为解决折叠翼飞行器在机载发射段主升力翼面/立尾展开前后气动特性变化较大,以及对飞行控制律鲁棒性要求较高的问题,基于飞行器六自由度非线性动态模型,应用随机鲁棒分析与设计方法(SRAD),对机载发射段折叠翼飞行器的翼面/立尾展开过程,设计了鲁棒飞行控制律,并通过对风干扰环境下的六自由度非线性弹道仿真,验证了翼面/立尾展开段鲁棒飞行控制律的有效性.

关键词：折叠翼飞行器鲁棒飞行控制律随机鲁棒设计

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仿黄缘龙虱折叠翼飞行器设计及运动学研究

仿黄缘龙虱折叠翼飞行器设计及运动学研究

作者：王皋吉林大学

学位级别：硕士

仿生扑翼飞行器是一种仿照自然界鸟类、昆虫翅膀扑动实现飞行的一类新型飞行器,具有体积小、隐蔽性好、质量轻、成本低、灵活性强、携带方便、操作简单等突出特点,在民用和军事领域具有较好的应用前景。本文以具有较强飞行能力的黄缘龙... 详细信息

仿生扑翼飞行器是一种仿照自然界鸟类、昆虫翅膀扑动实现飞行的一类新型飞行器,具有体积小、隐蔽性好、质量轻、成本低、灵活性强、携带方便、操作简单等突出特点,在民用和军事领域具有较好的应用前景。本文以具有较强飞行能力的黄缘龙虱甲虫为研究对象,完成仿生后翅的折叠机构设计,折叠翼的运动学及力学分析,仿生鞘翅及后翅的运动参数对气动特性的影响分析,压电驱动器的设计,传动机构及机身设计。研究内容如下:对自然界鸟类、昆虫的结构、飞行机理、飞行运动进行分析,总结昆虫产生高升力的非定常空气动力学机理。通过对黄缘龙虱后翅及折叠展开过程观察研究,分析黄缘龙虱后翅折叠展开过程机理,基于四平面理论设计仿生后翅折叠方案。通过运动学分析研究仿生折叠翼二面角变化规律,设计仿生折叠翼的具体实现机构,并进行机构的强度校核,对仿生折叠翼进行力学分析和折叠率计算。基于黄缘龙虱的尺寸参数,建立仿生鞘翅及仿生后翅的仿真模型,利用XFlow流体力学仿真平台,分析下扑时间与上行时间之比对周期内升力、翼表面压力、翼周围涡流的影响。研究仿生鞘翅对仿生后翅气动特性的影响,分析仿生鞘翅与仿生后翅间扑动相位差、仿生鞘翅幅值、仿生后翅幅值对整体气动升力影响,确定仿生鞘翅与仿生后翅间扑动相位差及各自幅值。对仿生扑翼飞行器的驱动器进行设计,推导压电驱动器输出挠度及转角计算公式。以降低压电驱动器应力分布不均匀程度为目标,对压电驱动器的宽度和扩展长度进行优化,推导梯形变化的宽度及附加扩展后的压电驱动器输出最大挠度及机械能计算公式。设计了仿生扑翼飞行器的扑动机构及机身。

关键词：仿甲虫扑翼折叠翼飞行器鞘翅气动特性压电驱动器

基于气动特性辨识的折叠翼飞行器可重构控制系统设计

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系统工程与电子技术 2013年第5期35卷 1037-1044页

作者：刘毅男张胜修曹立佳张超第二炮兵工程大学自动控制工程系陕西西安710025

为解决折叠翼飞行器初段飞行中气动特性变化大且易受环境扰动影响、控制鲁棒性要求高的问题,将飞行器物理模型的实时辨识与非线性动态逆方法相结合,设计可重构飞行控制器。基于迭代扩展卡尔曼滤波与渐消记忆最小二乘,将气动特性辨识一... 详细信息

为解决折叠翼飞行器初段飞行中气动特性变化大且易受环境扰动影响、控制鲁棒性要求高的问题,将飞行器物理模型的实时辨识与非线性动态逆方法相结合,设计可重构飞行控制器。基于迭代扩展卡尔曼滤波与渐消记忆最小二乘,将气动特性辨识一步方法分解为状态量和参数值的两步辨识,算法更易于在线实现。通过实时辨识更新动态逆控制器参考模型,消除模型逆误差,实现可重构控制。针对某型折叠翼飞行器的6自由度仿真结果表明,在飞行器自身气动特性大幅变化且考虑外界未知扰动情况下,控制器满足设计要求,具有较强的鲁棒性。

关键词：折叠翼飞行器飞行控制气动特性实时辨识非线性动态逆扰动

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折叠翼飞行器仿真与实验研究

折叠翼飞行器仿真与实验研究

作者：赵江南北京工业大学

学位级别：硕士

作为新概念可变体飞行器的一种，折叠翼飞行器能够通过机翼的伸展和折叠主动改变机翼面积，从而始终保持最优飞行状态，最大限度地拓展飞行包络线，可以执行不同任务，满足不同飞行环境要求。当折叠翼飞行器在不同折叠角度飞行过程中，... 详细信息

作为新概念可变体飞行器的一种，折叠翼飞行器能够通过机翼的伸展和折叠主动改变机翼面积，从而始终保持最优飞行状态，最大限度地拓展飞行包络线，可以执行不同任务，满足不同飞行环境要求。当折叠翼飞行器在不同折叠角度飞行过程中，由于机翼构型的变化引起的气动与结构的变化，会使折叠翼飞行器在不同角度下具有不同的振动特性。因此，对折叠翼飞行器不同折叠角度时的振动特性进行研究，对指导折叠翼飞行器的结构设计和安全飞行都具有非常重要的价值。本文以折叠翼飞行器为研究对象，对其进行振动实验、仿真分析和飞行试验研究，主要研究了折叠翼飞行器的振动特性、变形控制和飞行稳定性等问题。(1)将折叠翼可变体飞行器的折叠翼部分简化成折叠板结构，设计制作二折折叠板实验装置和三折折叠板实验装置，使用LMS模态分析软件，对实验装置进行锤击法模态实验，得到折叠角为0°、30°、45°、60°、90°、120°时各阶模态和固有频率。(2)使用PROE建立折叠翼飞行器机翼部分在折叠角为0°、30°、45°、60°、90°、120°状态时的三维实体模型，使用ANSYS对模型进行模态分析，对比各阶振型和固有频率，研究不同折叠角度的振动特性。(3)设计制作平直翼、后掠翼、三角翼固定翼飞行器并分别进行试飞，记录飞行结果，对比飞行性能，选择合适的改装机型。针对所选改装机型，设计制作折叠翼飞行器，并分别进行折叠翼飞行器在不同折叠角度下的飞行试验，记录飞行结果，对比飞行性能。(4)综合对比折叠板实验装置振动实验、折叠翼仿真分析和折叠翼飞行器飞行试验的结果，研究折叠翼飞行器飞行过程中的的振动特性和飞行稳定性问题，对于折叠翼飞行器的结构设计和安全飞行具有一定的指导意义。

关键词：折叠翼飞行器振动实验模态分析飞行试验

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折叠翼飞行器变形过程飞行控制研究

折叠翼飞行器变形过程飞行控制研究

作者：薛辰南京航空航天大学

学位级别：硕士

相较于常规飞行器的固定气动特性,可变形飞行器可以根据飞行环境和任务目标的变化改变机翼结构,保证飞行器优异的飞行性能。近些年来,随着国内外可变形飞行器的课题研究逐渐深入,可变形飞行器的气动特性和建模方法取得了较为突出的进展... 详细信息

相较于常规飞行器的固定气动特性,可变形飞行器可以根据飞行环境和任务目标的变化改变机翼结构,保证飞行器优异的飞行性能。近些年来,随着国内外可变形飞行器的课题研究逐渐深入,可变形飞行器的气动特性和建模方法取得了较为突出的进展。考虑到可变形飞行器气动参数的时变特性和系统模型的非线性特征,目前针对可变形飞行器的控制研究尚不深入。本文针对一类折叠翼飞行器,利用机翼变形改变飞行器气动性能,开展了变形辅助机动的飞行控制问题研究。首先,研究了一类折叠翼飞行器的气动参数建模与非线性动力学建模问题。通过气动仿真软件DATCOM计算了飞行器的气动参数,并经过拟合得到了包含折叠变形参量的气动函数模型。分析折叠翼飞行器的运动特性,建立了包含变形参量的非线性运动方程,仿真分析了无控状态下的折叠翼飞行器响应特性。其次,针对折叠翼飞行器非线性运动方程,建立了表征运动特性随着折叠参量变化的纵向线性变参数模型。基于飞行器LPV模型,提出了仿射参数依赖Lyapunov函数的鲁棒变增益控制法设计在无复合干扰情况下折叠翼飞行器的增稳控制器,仿真验证了所采用控制方法的可靠性和优越性,并且分析了机翼折叠对系统飞行性能的影响。针对复合干扰情况,设计了滑模干扰观测器,在实现变形过程稳定的同时保证了系统鲁棒性能。最后,研究了折叠翼飞行器的辅助机动问题,建立了利用折叠辅助机动的折叠翼飞行器的模型,同时设计了飞行控制器。将折叠角变化作为附加控制输入,设计了一种基于反馈线性化的非奇异动态终端滑模控制器(NDTSMC)。姿态跟踪仿真结果表明,采用折叠辅助机动的折叠翼飞行器机动性和抗扰能力比传统飞行器强。

关键词：折叠翼飞行器非线性动力学建模变形过程控制变形辅助机动控制