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《中国科学院长春光学精密机械与物理研究所》 2017年
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复合材料无人机结构和飞行动力学关键技术研究

关永亮  
【摘要】:在无人机的飞行过程中,由于机体客观存在着结构柔性,结构振动、气动载荷和飞行状态之间不可避免地存在着耦合,这种耦合时刻影响着无人机的飞行过程。随着飞机逐步的轻量化设计和复合材料的广泛使用,机体的结构柔性越来越明显,这种耦合对无人机飞行过程的影响变得更加突出,所以在无人机的设计和分析过程中考虑结构柔性影响的需求也变得更加迫切。针对上述问题,本文以复合材料机翼为主要研究对象,从结构动力学、空气动力学和飞行动力学多学科协同角度出发,在考虑机体结构柔性下对无人机的飞行过程进行研究。主要内容包括:1.复合材料机翼非线性动力学建模方法研究。非线性数学模型是结构动力学研究的基础。由于复杂的材料特性和特殊的工艺条件,复合材料构件的力学性能中存在着明显的不确定性;并且,在无人机的飞行过程中机翼的动力学响应包含着显著的非线性。针对上述问题,本文采用辨识技术对复合材料机翼进行非线性动力学建模。为了降低非线性模型的复杂程度与求解难度,本文在模态贡献理论的基础上对复合材料机翼的模态进行了排序和截断。2.复合材料机翼非定常空气动力计算方法研究。非定常空气动力是无人机飞行过程分析的主要外部载荷。本文采用计算结构动力学和计算流体力学的流固耦合方法来获取复合材料机翼的非定常空气动力。在流固耦合中结构的求解基于复合材料机翼的非线性动力学模型,流体的求解在商业流体分析软件Fluent中进行。结构模型与流体软件Fluent的连接和数据交互由User-Defined Function来完成,流固耦合界面的信息交互采用径向基函数理论,流固耦合的方法为紧耦合方式。流固耦合分析结果表明,机翼的升力随着变形的增大逐渐减小,阻力与升力具有相同的变化趋势,而俯仰力矩随着机翼变形的增大逐渐增大。3.无人机飞行动力学建模方法研究。首先,为了准确地描述无人机的飞行运动状态,本文定义了飞行运动模型所需的坐标系系统,给出了不同坐标系之间的转换矩阵。并定义了用来描述无人机运动状态的姿态角、气流角、线速度和角速度等参数。其次,给出了无人机在弹射起飞、飞行和地面运动阶段中所受到的空气动力和力矩、发动机推力和力矩、地面作用力和力矩及自身重力的相关计算公式。最后,依据Bryan模型并基于无人机的承载情况分别建立了无人机在不同运动阶段飞行动力学模型。4.无人机飞行过程的多学科协同分析。本文依据无人机飞行过程中结构振动、气动载荷和飞行状态之间的耦合关系,建立了空气动力学、结构动力学和飞行动力学之间的多学科协同方法和完整的分析流程,并依据是否考虑机翼柔性进行了两次飞行过程的分析。在与飞行试验结果的对比显示以机翼刚性为假设的分析结果与飞行试验结果存在着较大的差别,而多学科协同分析结果非常接近于试验结果。最后,采用极限环原理对复合材料机翼进行了颤振分析,获取了不同迎角下的机翼临界颤振速度。本文针对机体结构柔性对无人机飞行过程的影响,从复合材料非线性动力学建模方法、非定常空气动力计算方法、无人机飞行动力学建模方法以及多学科协同分析方法四个关键技术入手,以复合材料机翼为主要研究对象对无人机的飞行过程进行了分析。与飞行试验结果的对比表明,本文所建立的多学科协同分析方法能够有效地克服刚性假设分析方法的缺点,不仅确保了无人机飞行过程分析结果的精度,更对无人机安全和稳定的控制与飞行具有重要的意义。
【学位授予单位】:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V279

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