超聲速流中機翼及壁板非線性顫振的主動控制方法研究.pdf

1、飛行器的各種結(jié)構(gòu)在超聲速氣流中的氣動彈性問題在現(xiàn)代飛行器設(shè)計中占有重要地位。現(xiàn)代飛行器的高性能要求使得輕型結(jié)構(gòu)和大柔性結(jié)構(gòu)在飛行器設(shè)計中大量出現(xiàn)，相應(yīng)的氣動彈性問題也越來越突出，特別是結(jié)構(gòu)的非線性和氣動力的非線性給氣動彈性問題帶來了巨大挑戰(zhàn)。本文系統(tǒng)地研究了飛行器機翼和壁板兩類氣動彈性結(jié)構(gòu)的非線性顫振，并針對不同結(jié)構(gòu)的氣動彈性動力學特性設(shè)計了主動控制方法。研究內(nèi)容分為以下幾個方面：
　　對于機翼顫振，考慮了含有軟特性和硬特性的立方

2、非線性剛度的二元機翼模型。采用三階活塞理論模擬二元機翼所受的氣動力，同時考慮了非線性氣動阻尼和非線性氣動剛度。根據(jù)系統(tǒng)矩陣的特征值實部的變化，得出系統(tǒng)的線性顫振失穩(wěn)點。通過數(shù)值仿真方法，得出了非線性顫振失穩(wěn)邊界。當飛行馬赫數(shù)達到非線性顫振臨界速度時，二元機翼將發(fā)生亞臨界顫振，即亞臨界 Hopf分岔。結(jié)構(gòu)非線性剛度系數(shù)對顫振響應(yīng)起到了關(guān)鍵作用：當俯仰方向上的軟特性非線性剛度變?yōu)橛蔡匦苑蔷€性剛度時，亞臨界顫振將變?yōu)槌R界顫振即超臨界Hopf

3、分岔；增大沉浮方向的硬特性非線性剛度系數(shù)，可以在降低極限環(huán)幅值的同時增大非線性顫振臨界速度。
　　非線性氣動彈性響應(yīng)的動力學分析給非線性顫振抑制提供了依據(jù)。在施加LQR控制后，二元機翼系統(tǒng)的顫振臨界速度提高了53％，通過對比發(fā)現(xiàn)，LQR控制相比速度反饋控制，既可以較大幅度地提高非線性顫振失穩(wěn)速度，還可以在較高馬赫數(shù)下保證對極限環(huán)振動幅值的抑制效果。為進一步降低顫振幅值，根據(jù)結(jié)構(gòu)非線性參數(shù)對于顫振響應(yīng)的影響，設(shè)計了立方非線性反饋控制

4、策略。數(shù)值計算結(jié)果表明，立方非線性反饋可以使系統(tǒng)振動幅值得到明顯抑制。同時，非線性顫振臨界速度得到相應(yīng)提高。
　　對于壁板顫振，基于 von Karman非線性大變形幾何理論，建立了二維壁板和三維壁板的壓電結(jié)構(gòu)模型。采用Hamilton原理建立動力學模型并通過假設(shè)模態(tài)法得到了模態(tài)運動方程，分析了二維壁板和三維壁板的極限環(huán)響應(yīng)特性。通過計算不同長寬比情況下三維壁板的顫振臨界速度，得出了采用二維壁板模型的適用條件?；趹?yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)

5、律，提出了壓電傳感器和作動器的配置方法，設(shè)計了基于壓電傳感器輸出電壓信號的輸出反饋控制，利用壓電作動器的逆壓電效應(yīng)，通過輸入控制電壓來控制壁板的顫振。多輸入多輸出的LQR輸出反饋控制在提高壁板的臨界顫振速度的同時還可以降低壁板的顫振幅值。在LQR輸出反饋控制基礎(chǔ)上設(shè)計的非線性反饋控制在一定飛行速度范圍內(nèi)可以進一步降低顫振極限環(huán)幅值。
　　在 LQR控制的基礎(chǔ)上進行線性反饋系數(shù)的修正，可以逐步地提高線性顫振臨界速度。考慮到節(jié)省控制能