本文關(guān)鍵詞：柔性自旋飛行器動(dòng)力學(xué)分析與穩(wěn)定性研究

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【摘要】：隨著現(xiàn)代彈箭技術(shù)的發(fā)展,對(duì)彈箭的射程、精度等指標(biāo)要求越來越高。為了達(dá)到更高的戰(zhàn)技指標(biāo),彈箭飛行器做的越來越細(xì)長(zhǎng),彈體結(jié)構(gòu)的彈性變形已不可忽略,此時(shí)應(yīng)該將其視為柔性彈箭來進(jìn)行分析,不宜再采用剛體模型。同時(shí)采用自旋飛行模式的這類彈箭飛行器,在結(jié)構(gòu)的彈性小變形、剛性大運(yùn)動(dòng)以及繞軸向自旋的耦合作用下,其運(yùn)動(dòng)形式將變得更為復(fù)雜。因此,在對(duì)這類飛行器總體設(shè)計(jì)時(shí),必須充分考慮自旋和柔性所帶來的獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性、氣動(dòng)彈性以及穩(wěn)定性等問題。開展柔性自旋飛行器的動(dòng)力學(xué)研究,研究自旋彈箭振動(dòng)的相關(guān)理論,揭示自由飛行時(shí)彈箭共振及失穩(wěn)的機(jī)理,將具有重要的理論意義和實(shí)際工程意義。本文的研究工作主要以柔性自旋飛行器為研究對(duì)象,考慮了多種因素的影響,建立了柔性自旋飛行器自由飛行時(shí)的一般運(yùn)動(dòng)方程,分析了自旋引起的陀螺效應(yīng)對(duì)彈體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響,研究了飛行器主動(dòng)段隨動(dòng)推力作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性問題,并對(duì)自由飛行時(shí)做一般運(yùn)動(dòng)的柔性自旋飛行器的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性和動(dòng)力響應(yīng)情況進(jìn)行了分析和總結(jié)。首先將轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的基本思想融入到時(shí)飛行動(dòng)力學(xué)和外彈道學(xué)中,將柔性彈箭簡(jiǎn)化為自由邊界條件下非均勻的轉(zhuǎn)子梁軸模型,利用假設(shè)模態(tài)方法對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行離散,考慮陀螺效應(yīng)、剪切變形、隨動(dòng)推力作用以及氣動(dòng)彈性效應(yīng)等多種因素,通過非保守系統(tǒng)拉格朗日方程推導(dǎo)出柔性自旋飛行器飛行時(shí)的一般運(yùn)動(dòng)方程,該方程包括飛行器的彈性振動(dòng)微分方程、角速率方程和攻角方程,由此得到了較為全面的自旋柔性飛行器的動(dòng)力學(xué)模型。考慮自由飛行時(shí)飛行器結(jié)構(gòu)的自振特性,此時(shí)忽略了飛行器的剛性大運(yùn)動(dòng)和氣動(dòng)力的作用,計(jì)入陀螺效應(yīng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及剪切變形的影響分析了飛行器結(jié)構(gòu)的彈性振動(dòng)特性,采用有限元方法建立了自旋飛行器橫向振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程和頻率方程,驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方法在自旋飛行器橫向振動(dòng)問題當(dāng)中的適用性,并通過數(shù)值仿真分析了彈體進(jìn)動(dòng)頻率和不平衡響應(yīng)隨轉(zhuǎn)速變化的情況。在自振特性研究的基礎(chǔ)上計(jì)入了隨動(dòng)推力的作用,推導(dǎo)了推力和軸向力引起的單元?jiǎng)偠染仃?采用有限元方法建立了隨動(dòng)推力作用下的自旋飛行器橫向振動(dòng)微分方程和頻率方程。研究了柔性飛行器的自旋和隨動(dòng)推力對(duì)結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)的影響,對(duì)不同條件下臨界推力及穩(wěn)定性情況進(jìn)行了分析,同時(shí)對(duì)隨動(dòng)推力作用下的不平衡響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真,分析和總結(jié)了結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)條件。計(jì)入飛行器的剛性大運(yùn)動(dòng)和氣動(dòng)力的作用,對(duì)柔性自旋飛行器飛行時(shí)的一般運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和變換,分別得到了柔性自旋飛行器的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性方程和用于實(shí)際工程求解的運(yùn)動(dòng)微分方程。針對(duì)典型外型的自旋飛行器,分析了不同轉(zhuǎn)速、隨動(dòng)推力、結(jié)構(gòu)阻尼、是否考慮馬格努斯效應(yīng)等因素對(duì)飛行器氣動(dòng)彈性靜穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性的影響,同時(shí)對(duì)不同條件下氣動(dòng)力和質(zhì)量偏心力作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,影響柔性自旋飛行器穩(wěn)定性的因素并不單一,轉(zhuǎn)速、推力、結(jié)構(gòu)阻尼等因素都會(huì)對(duì)飛行器穩(wěn)定性造成不同程度的影響,在穩(wěn)定性分析時(shí)需要對(duì)這些因素進(jìn)行綜合的考慮和分析。針對(duì)以上推導(dǎo)的相應(yīng)理論和公式,編制了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算程序。對(duì)部分?jǐn)?shù)值計(jì)算結(jié)果與其他研究成果進(jìn)行了對(duì)比,較好地驗(yàn)證了本文理論和計(jì)算程序的正確性和有效性。通過開展本文研究,為自旋彈箭的工程設(shè)計(jì)提供相關(guān)的基礎(chǔ)理論支撐,實(shí)現(xiàn)彈箭系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì),優(yōu)化外彈道特性,提高彈箭的研制水平。
【關(guān)鍵詞】：柔性自旋飛行器 陀螺效應(yīng) 橫向振動(dòng) 隨動(dòng)推力 穩(wěn)定性 氣動(dòng)彈性
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V212
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-24
• 1.1 引言11-12
• 1.2 課題來源與研究意義和目的12-13
• 1.2.1 課題來源12
• 1.2.2 研究的意義和目的12-13
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-21
• 1.3.1 參考坐標(biāo)系13-14
• 1.3.2 彈體模型的選取14-16
• 1.3.3 氣動(dòng)彈性問題及穩(wěn)定性研究16-19
• 1.3.4 推力作用及穩(wěn)定性研究19-21
• 1.4 國內(nèi)外研究綜述小結(jié)21-22
• 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新工作22-24
• 1.5.1 主要研究?jī)?nèi)容22-23
• 1.5.2 本文創(chuàng)新工作23-24
• 第二章 柔性自旋飛行器的運(yùn)動(dòng)方程24-49
• 2.1 基本假設(shè)24
• 2.2 坐標(biāo)系定義24-27
• 2.2.1 地面坐標(biāo)系25
• 2.2.2 彈體坐標(biāo)系25-26
• 2.2.3 微元坐標(biāo)系26-27
• 2.3 模型的建立27-40
• 2.3.1 平均彈軸條件28
• 2.3.2 動(dòng)能28-34
• 2.3.3 彈性勢(shì)能34
• 2.3.4 阻尼耗散能34
• 2.3.5 作用力與力矩34-37
• 2.3.6 功與虛功37-40
• 2.4 運(yùn)動(dòng)方程的建立40-48
• 2.4.1 假設(shè)模態(tài)法40-45
• 2.4.2 拉格朗日方程45-46
• 2.4.3 運(yùn)動(dòng)方程的建立46-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第三章 自旋飛行器轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性研究49-65
• 3.1 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程49-50
• 3.2 有限元方法建立運(yùn)動(dòng)方程50-54
• 3.3 進(jìn)動(dòng)頻率與臨界轉(zhuǎn)速分析54-59
• 3.3.1 頻率方程54-55
• 3.3.2 實(shí)例分析55-59
• 3.4 不平衡響應(yīng)分析59-64
• 3.4.1 不平衡載荷59-60
• 3.4.2 響應(yīng)實(shí)例分析60-64
• 3.5 本章小結(jié)64-65
• 第四章 自旋飛行器的推力穩(wěn)定性研究65-82
• 4.1 推力作用下的橫向振動(dòng)方程65-67
• 4.1.1 假設(shè)模態(tài)法推導(dǎo)的橫向振動(dòng)方程65-66
• 4.1.2 有限元方法推導(dǎo)的橫向振動(dòng)方程66-67
• 4.2 推力穩(wěn)定性分析67-75
• 4.2.1 系統(tǒng)特征值與穩(wěn)定性關(guān)系67-68
• 4.2.2 穩(wěn)定性分析算例68-75
• 4.3 瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算75-81
• 4.4 本章小結(jié)81-82
• 第五章 柔性自旋飛行器的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性及動(dòng)力響應(yīng)研究82-110
• 5.1 氣動(dòng)力的計(jì)算82-84
• 5.1.1 彈身部分法向力82-83
• 5.1.2 尾翼部分法向力83
• 5.1.3 馬格努斯力與力矩83-84
• 5.2 氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性分析84-96
• 5.2.1 氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性方程84-87
• 5.2.2 氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性計(jì)算87-96
• 5.3 自旋飛行器飛行時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)分析96-108
• 5.3.1 運(yùn)動(dòng)方程的簡(jiǎn)化與變換97-100
• 5.3.2 動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值分析100-108
• 5.4 本章小結(jié)108-110
• 結(jié)論110-113
• 參考文獻(xiàn)113-119
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單119-120
• 致謝120-121
• 作者簡(jiǎn)介121

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：696720