专利名称：一种基于二次降阶的带操纵面机翼非定常气动力模拟方法
技术领域：
本发明涉及飞行器气动弹性试验技术领域，具体为ー种基于二次降阶的带操纵面机翼非定常气动カ模拟方法，主要用于地面颤振试验，通过面样条插值降阶和等效降阶方法对带操纵面机翼的非定常气动カ模型进行两次降阶，将机翼上分布的非定常气动カ通过气动カ降阶，等效到有限个加载点处的激振器上。
背景技术：
对于每ー种新型号的飞机，其颤振速度的获取是必不可少的。地面颤振试验作为一种新兴的颤振研究手段，是将机翼上分布的非定常气动カ首先按照气动カ降阶的思想，等效为有限个加载点处的非定常气动力，再用激振器在这些加载点处对机翼进行激励，激 振器的输出力就是等效后的气动力，而这些集中的非定常气动カ是根据机翼上若干个拾振点处的响应(位移、速度、加速度)按照气动カ降阶方法计算后得到的。该试验可直接对真实结构进行颤振试验，并通过激振器来模拟给定速度下的气动力，在试验中就可以观察到真实结构的颤振，进而得到颤振速度。从公开的文献可看到，地面颤振试验最新的研究进展是在AIAA2011-1942编号文献“GVT-based ground flutter test without wind tunnel” 中 Zeng 等公开了一种对矩形平板和长直机翼的地面颤振试验方法；在SCIENCE CHINA Technological Sciences2012,55(9):2482-2488 的文献“Studies on Aeroservoelasticity Semi-physicalSimulation Test for Missiles”中，吴志刚等在考虑了飞行控制系统基础上,针对导弹模型公开了ー种气动伺服弾性半物理仿真试验方法。这些公开的地面颤振试验技术中，主要都是对不带操纵面的机翼气动カ降阶建模的研究，而对带操纵面的三元机翼的非定常气动カ降阶建模和地面颤振试验尚无相关研究。
发明内容
要解决的技术问题在地面颤振试验中，通过激振器输出的激振カ来模拟分布式的气动カ。理论上讲，无论是为了更精确地描述气动面上分布式的气动力，还是多部件试验(如全机试验)的需要，我们都希望使用更多的激振器。但为了保证激振力的准确加载，需进行激振カ控制系统的设计，如果激振器数目过多，激振カ控制系统的设计难度将大大増加，尤其是在操纵面上，激振器的数目往往有很大的限制。因此在实际颤振试验中，希望在满足试验精度的前提下，尽量减少气动力的阶数(这样，对应的激振器的数目就会相应減少)。为此，本发明提出了一种基于二次降阶的带操纵面机翼非定常气动カ模拟方法，对带操纵面机翼的非定常气动カ进行二次降阶，在得到合理的气动カ模型的同时，降低激振カ控制系统设计的难度。技术方案
本发明提出的基于二次降阶的带操纵面机翼非定常气动カ模拟方法，首先通过面样条插值方法(AIAA 2011-1942 编号文献“GVT-based ground futter test withoutwind tunnel”中公开)，分别确定主翼面、操纵面上激振点和拾振点的位置，进而得到相应的频域降阶气动力模型，采用最小状态法(Journal of Aircraft, Vol. 19, March1982, pp. 221-227 中的文献 “Design for Active Flutter Suppression and GustAlleviation Using State-Space Aeroelastic Modeling” 公开)进行频域降阶气动カ模型从频域到时域的转换，获得初步气动カ降阶模型。为进ー步减少操纵面上所需激振器的个数，以操纵面气动力、铰链カ矩等效为前提，将操纵面上多处激振点的力等效到两个激振点上。同时，为了得到较优的等效结果，在优选方案中，以二次气动カ降阶前后对应结构的动态气动弹性响应差异最小为目标函数，采用优化算法进行了二次气动カ降阶激振点位置优化。本发明的技术方案为所述ー种基于二次降阶的带操纵面机翼非定常气动カ模拟方法，其特征在于包括以下步骤步骤I :建立带操纵面机翼的网格模型，采用面样条插值方法分别确定带操纵面机翼中的主机翼和操纵面上的激振点和拾振点的位置，并得到带操纵面机翼的频域降阶气动カ模型；采用最小状态法将频域降阶气动力模型转换到时域空间，得到带操纵面机翼的初步时域气动カ降阶模型；所述带操纵面机翼的初步时域气动カ降阶模型分为主机翼的初步时域气动カ降阶模型和操纵面的初步时域气动カ降阶模型；步骤2 :在带操纵面机翼的操纵面上选取两个点作为二次降阶后的激振点，所述两个点中一个在操纵面的铰链轴上，另ー个在铰链轴外；步骤3 :将步骤I初步时域气动カ降阶模型中操纵面上的N个激振点的激振カ等效到步骤2中选定的两个激振点上，并保持拾振点与步骤I中操纵面初步时域气动カ降阶模型上的拾振点相同，得到操纵面的二次时域气动カ降阶模型；将操纵面的二次时域气动カ降阶模型与主机翼的初步时域气动カ降阶模型合并得到带操纵面机翼的二次时域气动カ降阶模型；所述激振力等效的要求为
权利要求
1.一种基于二次降阶的带操纵面机翼非定常气动カ模拟方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I :建立带操纵面机翼的网格模型，采用面样条插值方法分别确定带操纵面机翼中的主机翼和操纵面上的激振点和拾振点的位置，并得到带操纵面机翼的频域降阶气动力模型；采用最小状态法将频域降阶气动力模型转换到时域空间，得到带操纵面机翼的初歩时域气动カ降阶模型；所述带操纵面机翼的初步时域气动カ降阶模型分为主机翼的初步时域气动カ降阶模型和操纵面的初步时域气动カ降阶模型； 步骤2 :在带操纵面机翼的操纵面上选取两个点作为二次降阶后的激振点，所述两个点中一个在操纵面的铰链轴上，另ー个在铰链轴外； 步骤3 :将步骤I初步时域气动カ降阶模型中操纵面上的N个激振点的激振カ等效到步骤2中选定的两个激振点上，并保持拾振点与步骤I中操纵面初步时域气动カ降阶模型上的拾振点相同，得到操纵面的二次时域气动カ降阶模型；将操纵面的二次时域气动カ降阶模型与主机翼的初步时域气动カ降阶模型合并得到带操纵面机翼的二次时域气动カ降阶模型；所述激振力等效的要求为 FsXds=^FiXd, 其中Fh、Fs分别表示步骤2中选定的两个激振点上激振力，Fi表示步骤I初步时域气动カ降阶模型中操纵面上的第i个激振点的激振カ；ds表示步骤2中操纵面铰链轴外激振点的激振カ相对于铰链轴的力臂值，Cli表示步骤I初步时域气动カ降阶模型中操纵面上第i个激振点的激振カ相对于铰链轴的力臂值。
2.根据权利要求I所述的ー种基于二次降阶的带操纵面机翼非定常气动カ模拟方法，其特征在于 步骤4 :在模态坐标下建立带操纵面机翼结构的气动弹性运动方程 其中[M]、[B]、[K] e Rnxn分别是带操纵面机翼结构的广义质量、广义阻尼和广义刚度矩阵，{η} e Rn是广义坐标向量，{F} e Rn是广义气动カ向量，n是模态阶数；将带操纵面机翼结构的气动弹性运动方程写为状态空间形式，得到 步骤5 :将步骤I中带操纵面机翼的初步时域气动カ降阶模型代入步骤4中带操纵面机翼结构的气动弹性运动方程的状态空间形式中，建立带操纵面机翼的一次降阶颤振仿真模型；将步骤3中带操纵面机翼的二次时域气动カ降阶模型代入步骤4中带操纵面机翼结构的气动弹性运动方程的状态空间形式中，建立带操纵面机翼的二次降阶颤振仿真模型；在带操纵面机翼的一次降阶颤振仿真模型和二次降阶颤振仿真模型中给带操纵面机翼结构施加相同的飞行速度參数和相同的脉冲激励，得到带操纵面机翼结构二次降阶前的时域气弹响应和二次降阶后的时域气弹响应； 步骤6 :重复步骤2至步骤6，以
全文摘要
本发明提出了一种基于二次降阶的带操纵面机翼非定常气动力模拟方法，首先利用面样条插值方法确定主翼面、操纵面上激振点和拾振点的位置，进而得到相应的频域降阶气动力模型，采用最小状态法进行频域降阶气动力模型从频域到时域的转换，获得初步气动力降阶模型；以操纵面气动力、铰链力矩等效为前提，将操纵面上多处激振点的力等效到两个激振点上，以二次气动力降阶前后对应结构的动态气动弹性响应差异最小为目标函数，采用优化算法进行了二次气动力降阶激振点位置优化。本发明通过对带操纵面机翼的非定常气动力进行二次降阶，在满足试验精度的前提下，减少气动力的阶数，进而减少地面颤振试验中激振器的个数，从而降低激振力控制系统的设计难度。
文档编号G05B17/02GK102866637SQ20121037633
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月7日 优先权日2012年10月7日
发明者谷迎松, 胡巍, 杨智春 申请人:西北工业大学