發(fā)布時(shí)間：2020-05-15 07:55

【摘要】：艦載機(jī)著艦是一個(gè)包含多學(xué)科的復(fù)雜工程系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。不同于一般的陸基飛機(jī),艦載機(jī)的著艦環(huán)境更為嚴(yán)酷與危險(xiǎn)。為了保證航空母艦的作戰(zhàn)能力,艦載機(jī)必須安全高效地在航空母艦上進(jìn)行回收,于是有必要對(duì)艦載機(jī)著艦過(guò)程中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。本文基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論、瞬態(tài)非線性有限元、代理模型技術(shù)和最優(yōu)控制理論,并結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真開(kāi)展了考慮柔性機(jī)身的模型減縮方法、起落架參數(shù)識(shí)別、飛機(jī)燃油箱流-固耦合動(dòng)力學(xué)分析以及最優(yōu)軌跡計(jì)算的研究。具體可以歸納為以下幾個(gè)方面:(1)開(kāi)展了考慮機(jī)身柔性的飛機(jī)著艦動(dòng)力學(xué)模型減縮方法的研究。提出了一種針對(duì)具有局部非線性著艦系統(tǒng)的混合空間自由界面模態(tài)綜合法。根據(jù)系統(tǒng)特性,將結(jié)構(gòu)劃分為線性子結(jié)構(gòu)與非線性子結(jié)構(gòu);其中線性子結(jié)構(gòu)可以通過(guò)模態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行模型減縮,而起落架系統(tǒng)作為非線性子結(jié)構(gòu),仍保留在物理空間中。然后通過(guò)模態(tài)綜合技術(shù)將二者組裝為綜合模型。在綜合過(guò)程中,通過(guò)提出一種新的假設(shè)高階模態(tài)集構(gòu)造方法,很好地解決了結(jié)構(gòu)包含剛體模態(tài)時(shí)的剩余柔度矩陣求解問(wèn)題。為了定量地描述各階模態(tài)的重要度,提出了一種模態(tài)選取準(zhǔn)則方法,從而選取出貢獻(xiàn)占比較大的低階模態(tài)用于模態(tài)綜合。最后通過(guò)數(shù)值算例驗(yàn)證了方法的有效性,計(jì)算結(jié)果表明運(yùn)用本文方法可以在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上有效提高飛機(jī)著艦動(dòng)力學(xué)的分析效率。(2)針對(duì)起落架設(shè)計(jì)過(guò)程中一些參數(shù)不可測(cè)的問(wèn)題,提出了一種基于代理模型技術(shù)的起落架參數(shù)識(shí)別方法。考慮起落架與航空母艦的耦合運(yùn)動(dòng),選取起落架緩沖器軸向載荷的時(shí)域響應(yīng)的均方差作為目標(biāo)函數(shù),并通過(guò)徑向基函數(shù)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)的代理模型,然后引入優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的辨識(shí)。最后分別對(duì)常參數(shù)與時(shí)變參數(shù)的起落架模型進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別計(jì)算,數(shù)值算例的計(jì)算結(jié)果表明所提出方法的具有較高的辨識(shí)精度。(3)開(kāi)展了在著艦環(huán)境下飛機(jī)燃油箱流-固耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究。采用ALE方法建立了飛機(jī)燃油箱流固耦合模型,通過(guò)仿真計(jì)算模擬了著艦環(huán)境下飛機(jī)燃油箱內(nèi)燃油的運(yùn)動(dòng)情況,并研究了不同防波板結(jié)構(gòu)對(duì)燃油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。為通過(guò)仿真分析手段解決著艦環(huán)境下飛機(jī)燃油箱抗振設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)依據(jù)。(4)開(kāi)展了艦載機(jī)著艦過(guò)程最優(yōu)軌跡的研究。以攔阻索釋放速度為控制輸入建立了不考慮彎折波的理想攔阻過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型,然后以攔阻過(guò)程中盡可能保持加速度恒定為主要性能指標(biāo),采用高斯偽譜法獲得系統(tǒng)的一組最優(yōu)軌跡。通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了艦載機(jī)著艦剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,將得到的最優(yōu)攔阻索釋放速度作為攔阻系統(tǒng)的控制輸入條件,分別對(duì)考慮攔阻索質(zhì)量與不考慮攔阻索質(zhì)量下的艦載機(jī)著艦過(guò)程的仿真結(jié)果進(jìn)行了討論。計(jì)算結(jié)果顯示,通過(guò)求解最優(yōu)控制方程得到最優(yōu)軌跡可以基本滿足攔阻過(guò)程飛機(jī)加速度恒定的設(shè)計(jì)指標(biāo),但計(jì)入彎折波效應(yīng)后會(huì)使攔阻鉤載在攔阻初期出現(xiàn)明顯的波動(dòng)效應(yīng)。
【圖文】：

1.1 引言作為一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)，航空母艦已經(jīng)成為當(dāng)代海軍中不可代替的一種海上戰(zhàn)略核心力量。而一個(gè)航母戰(zhàn)斗編隊(duì)要在實(shí)戰(zhàn)中形成強(qiáng)有力的作戰(zhàn)力量，，艦載機(jī)在其中的重要性不可忽視。艦載機(jī)通常是以航母甲板作為起降平臺(tái)的一類海軍飛機(jī)，其主要的作用為攻擊陸、海、空以及水面下的敵方目標(biāo)。除此以外，還有一些具有不同戰(zhàn)略用途的艦載型飛機(jī)可以執(zhí)行預(yù)警、偵察、掃雷和垂直登陸等作戰(zhàn)任務(wù)。以艦載機(jī)所具有的強(qiáng)大協(xié)同作戰(zhàn)力為基礎(chǔ)，航母艦隊(duì)才可以在遠(yuǎn)離其國(guó)土的區(qū)域從軍事上對(duì)敵方形成有效的威懾力。這對(duì)一個(gè)國(guó)家在現(xiàn)代遠(yuǎn)海作戰(zhàn)中制空權(quán)、制海權(quán)的奪取起著非常關(guān)鍵的作用。艦載機(jī)通常由陸基飛機(jī)演變而來(lái)，然而航母甲板上可供艦載機(jī)著艦的區(qū)域很有限，所以固定翼艦載機(jī)通常需要通過(guò)攔阻鉤掛住攔阻索，再依靠攔阻系統(tǒng)使其強(qiáng)制攔停的方式進(jìn)行著艦。這是一個(gè)及其危險(xiǎn)和復(fù)雜的過(guò)程，也是艦載機(jī)使用過(guò)程中事故發(fā)生率最大的一個(gè)過(guò)程。因此，研究艦載飛機(jī)的攔阻著艦過(guò)程所涉及到的一些關(guān)鍵問(wèn)題對(duì)于艦載飛機(jī)和人員的安全、航空母艦的發(fā)展都有著重要的意義。圖 1.1 為某航母甲板布置圖。

(4)無(wú)危險(xiǎn)性：數(shù)值仿真計(jì)算可以模擬各種復(fù)雜甚至有危險(xiǎn)的極端環(huán)境下結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況，而試驗(yàn)很難做到這一點(diǎn)。目前主要的數(shù)值研究方法有：Lagrangian法，Eulerian法，ALE法，SPH法四種。圖1.2給出了拉格朗日、歐拉、ALE、SPH四種方法的有限元模型。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：V271.492

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