本文關(guān)鍵詞：復(fù)合材料無人機結(jié)構(gòu)和飛行動力學關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：在無人機的飛行過程中,由于機體客觀存在著結(jié)構(gòu)柔性,結(jié)構(gòu)振動、氣動載荷和飛行狀態(tài)之間不可避免地存在著耦合,這種耦合時刻影響著無人機的飛行過程。隨著飛機逐步的輕量化設(shè)計和復(fù)合材料的廣泛使用,機體的結(jié)構(gòu)柔性越來越明顯,這種耦合對無人機飛行過程的影響變得更加突出,所以在無人機的設(shè)計和分析過程中考慮結(jié)構(gòu)柔性影響的需求也變得更加迫切。針對上述問題,本文以復(fù)合材料機翼為主要研究對象,從結(jié)構(gòu)動力學、空氣動力學和飛行動力學多學科協(xié)同角度出發(fā),在考慮機體結(jié)構(gòu)柔性下對無人機的飛行過程進行研究。主要內(nèi)容包括:1.復(fù)合材料機翼非線性動力學建模方法研究。非線性數(shù)學模型是結(jié)構(gòu)動力學研究的基礎(chǔ)。由于復(fù)雜的材料特性和特殊的工藝條件,復(fù)合材料構(gòu)件的力學性能中存在著明顯的不確定性;并且,在無人機的飛行過程中機翼的動力學響應(yīng)包含著顯著的非線性。針對上述問題,本文采用辨識技術(shù)對復(fù)合材料機翼進行非線性動力學建模。為了降低非線性模型的復(fù)雜程度與求解難度,本文在模態(tài)貢獻理論的基礎(chǔ)上對復(fù)合材料機翼的模態(tài)進行了排序和截斷。2.復(fù)合材料機翼非定�？諝鈩恿τ嬎惴椒ㄑ芯�。非定�？諝鈩恿κ菬o人機飛行過程分析的主要外部載荷。本文采用計算結(jié)構(gòu)動力學和計算流體力學的流固耦合方法來獲取復(fù)合材料機翼的非定�？諝鈩恿�。在流固耦合中結(jié)構(gòu)的求解基于復(fù)合材料機翼的非線性動力學模型,流體的求解在商業(yè)流體分析軟件Fluent中進行。結(jié)構(gòu)模型與流體軟件Fluent的連接和數(shù)據(jù)交互由User-Defined Function來完成,流固耦合界面的信息交互采用徑向基函數(shù)理論,流固耦合的方法為緊耦合方式。流固耦合分析結(jié)果表明,機翼的升力隨著變形的增大逐漸減小,阻力與升力具有相同的變化趨勢,而俯仰力矩隨著機翼變形的增大逐漸增大。3.無人機飛行動力學建模方法研究。首先,為了準確地描述無人機的飛行運動狀態(tài),本文定義了飛行運動模型所需的坐標系系統(tǒng),給出了不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。并定義了用來描述無人機運動狀態(tài)的姿態(tài)角、氣流角、線速度和角速度等參數(shù)。其次,給出了無人機在彈射起飛、飛行和地面運動階段中所受到的空氣動力和力矩、發(fā)動機推力和力矩、地面作用力和力矩及自身重力的相關(guān)計算公式。最后,依據(jù)Bryan模型并基于無人機的承載情況分別建立了無人機在不同運動階段飛行動力學模型。4.無人機飛行過程的多學科協(xié)同分析。本文依據(jù)無人機飛行過程中結(jié)構(gòu)振動、氣動載荷和飛行狀態(tài)之間的耦合關(guān)系,建立了空氣動力學、結(jié)構(gòu)動力學和飛行動力學之間的多學科協(xié)同方法和完整的分析流程,并依據(jù)是否考慮機翼柔性進行了兩次飛行過程的分析。在與飛行試驗結(jié)果的對比顯示以機翼剛性為假設(shè)的分析結(jié)果與飛行試驗結(jié)果存在著較大的差別,而多學科協(xié)同分析結(jié)果非常接近于試驗結(jié)果。最后,采用極限環(huán)原理對復(fù)合材料機翼進行了顫振分析,獲取了不同迎角下的機翼臨界顫振速度。本文針對機體結(jié)構(gòu)柔性對無人機飛行過程的影響,從復(fù)合材料非線性動力學建模方法、非定�？諝鈩恿τ嬎惴椒�、無人機飛行動力學建模方法以及多學科協(xié)同分析方法四個關(guān)鍵技術(shù)入手,以復(fù)合材料機翼為主要研究對象對無人機的飛行過程進行了分析。與飛行試驗結(jié)果的對比表明,本文所建立的多學科協(xié)同分析方法能夠有效地克服剛性假設(shè)分析方法的缺點,不僅確保了無人機飛行過程分析結(jié)果的精度,更對無人機安全和穩(wěn)定的控制與飛行具有重要的意義。
【學位授予單位】：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：V279

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本文編號：1278795