国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

后掠展長組合變形飛行器動力學建模

2015-03-15 12:04王志剛徐聘周嘉星李娜英
飛行力學 2015年5期
關鍵詞:約束力剛體鉸鏈

王志剛, 徐聘,周嘉星, 李娜英

(1.西北工業(yè)大學 航天學院, 陜西 西安 710072;2.航天飛行動力學技術國家重點實驗室, 陜西 西安 710072;3.北京機電工程研究所 先進制導控制技術國防重點實驗室, 北京 100074)

后掠展長組合變形飛行器動力學建模

王志剛1,2, 徐聘3,周嘉星1,2, 李娜英3

(1.西北工業(yè)大學 航天學院, 陜西 西安 710072;2.航天飛行動力學技術國家重點實驗室, 陜西 西安 710072;3.北京機電工程研究所 先進制導控制技術國防重點實驗室, 北京 100074)

為了分析變形飛行器的動態(tài)響應特性,針對后掠展長組合變形飛行器建立了動力學模型。將變形飛行器看作一個完整的多剛體系統(tǒng),建立變形飛行器組合變形方程,采用多剛體理論建立了能完整描述飛行器變形過程的動力學模型。該動力學模型適用于普遍情況下的后掠展長變形飛行器。

變形飛行器; 動力學建模; 多剛體系統(tǒng)

0 引言

傳統(tǒng)飛行器的固定構型決定了其空氣動力特性,而空氣動力特性又是影響飛行性能的重要因素,因此固定構型約束了飛行器的性能。變形飛行器能夠在飛行中主動改變構型以適應寬廣變化的飛行環(huán)境,不僅能夠提高飛行器的飛行性能,還可以減少飛行器的研發(fā)數量、降低研發(fā)支出。基于上述優(yōu)點,國內外學者對變形飛行器的動力學建模、仿真、控制及飛行試驗等進行了理論及應用研究。

Seigler等[1-3]研究了變形飛行器的建模與控制問題,分別基于質點系、多剛體系統(tǒng)和剛體-質點系統(tǒng)物理模型建立了3種變形飛行器的動力學方程;分析了飛機變形過程中的動力學響應[3]。An等[4]研究了變后掠飛機變形過程中的動態(tài)響應,建立了飛機的動力學方程,分別分析了無控情況下的變后掠、有自動駕駛儀的變后掠、加速與減速過程中的變后掠的動態(tài)響應過程,以及靜態(tài)力變化和非定常氣動力對變后掠動態(tài)響應過程的影響。金鼎等[5]針對一種飛翼布局折疊機翼變體飛機方案,建立了相應的研究模型。張公平等[6-7]基于集中質量假設,利用動量定理及動量矩定理,構建了變翼導彈的多體動力學模型。徐孝武等[8]研究了多剛體系統(tǒng)動力學理論應用于折疊機翼變體飛機動力學建模方法,考慮變體飛機為一個完整的多剛體系統(tǒng),采用牛頓-歐拉方法建立了能夠完整描述變形過程的動力學模型。上述研究均針對單一變形方式,沒有考慮多種變形同時存在的情況。

本文針對后掠展長組合變形飛行器,根據后掠展長變形特點建立組合變形方程,并基于多剛體動力學理論中的牛頓-歐拉法開展動力學建模研究。

1 多剛體系統(tǒng)模型

本文研究的變形飛行器如圖1所示,該飛行器具備在飛行過程中改變機翼后掠角和展長的能力。飛行器由機體和機翼組成,每一側的機翼分為內外兩段:內段翼通過圓柱鉸與機體相連,可以在機翼平面內轉動改變后掠角;外段翼通過滑移鉸與內段翼相連,可以沿內段翼滑動改變機翼的展長?;诙鄤傮w系統(tǒng)假設,可以將變形飛行器抽象為由5個剛體組成的多剛體系統(tǒng),如圖2所示。圖中:Oi為各剛體Bi的質心;Ji為連接各剛體的鉸鏈。

圖1 變形飛行器結構示意圖Fig.1 Structural sketch of morphing aircraft

圖2 變形飛行器多剛體模型Fig.2 Multi-rigid-body model of morphing aircraft

為了方便描述變形飛行器的結構,首先對變形飛行器的各個剛體進行編號。規(guī)定代表機體的剛體為B1,從剛體B1出發(fā)有兩條通路分別通往左右機翼。沿著通路,系統(tǒng)內與剛體Bi直接相連且靠近B1一側的剛體稱為Bi的內接剛體,將Bi與其內接剛體連起來的鉸稱為內接鉸;通往與Bi連通的外側剛體的鉸稱為外接鉸。令每個剛體與其內接鉸有相同的序號以及每個剛體的序號大于其內接剛體的序號,如圖2所示:剛體B2為右側機翼內段;B3為外段;剛體B4為左側機翼的內段;B5為外段。

由Bi的質心Oi指向與Bi關聯的任意鉸Jj的矢量稱為體鉸矢量,記作cij:c12為由B1的質心O1指向鉸鏈J2的體鉸矢量;c22為由B2的質心O2指向鉸鏈J2的體鉸矢量。從剛體Bi的內接鉸出發(fā)指向Bi外接鉸的矢量稱為通路矢量,記作dij;剛體Bi的質心相對于機體質心O1的矢量用ρci表示;zi為滑移鉸Ji的相對滑移矢量。根據以上定義可知dij=-cii+cij,如d23=-c22+c23。

2 組合變形規(guī)律方程

2.1 坐標系定義

(1)機體坐標系O1x1y1z1:原點O1為飛行器機體B1質心;O1x1軸與飛行器縱軸重合,指向頭部為正;O1y1軸在與飛行器縱向對稱的平面內,垂直于O1x1,向上為正;O1z1軸垂直于x1O1y1平面,方向按右手定則確定。

(2)機翼固連坐標系Oixiyizi:以機翼段Bi的質心Oi為坐標原點;Oiyi軸與機翼平面垂直,向上為正;Oizi軸保持與機翼前緣平行,指向外側為正;Oixi軸按右手定則確定。

2.2 變形規(guī)律方程

后掠展長變形飛行器的變形規(guī)律方程為:

(1)

式中:Λr為右側機翼的后掠角;Λrd為期望的右側機翼后掠角;下標“r”對應右側機翼,“l(fā)”對應左側機翼,下標“d”對應期望值;Λl為左側機翼的后掠角;Λld為期望的左側機翼后掠角;z3為右側機翼的展長伸縮量;z3d為期望的右側機翼展長伸縮量;z5為左側機翼的展長伸縮量;z5d為期望的左側機翼展長伸縮量;t為時間。

機翼變形主要影響機翼質心相對于機體質心的矢量ρci。ρci在機體坐標系下的坐標列陣為:

(2)

3 變形飛行器多剛體動力學建模

3.1 基本假設

為簡化動力學建模過程,本文作如下假設:

(1)機翼上反角為零;

(2)機翼無安裝角;

(3)機翼質量分布均勻;

(4)飛行器存在縱向對稱面,且其變形為對稱變形。

3.2 受力分析

(1)飛行器整體受力分析

在飛行過程中,如果把飛行器看作一個整體,那么作用在飛行器上的外力主要有空氣動力、空氣動力矩、發(fā)動機推力和重力。

(2)飛行器部件受力分析

對于機體B1,在鉸鏈J2處受到鉸鏈的約束力F2及驅動力矩MG2的作用,在鉸鏈J4處受到鉸鏈的約束力F4及驅動力矩MG4的作用。在飛行器飛行過程中,B1始終暴露在空氣中,因此要受到空氣動力F1的作用。此外,B1還受到發(fā)動機推力T以及自身重力m1g的作用。

對于右側機翼內段B2,在J2處受到該鉸鏈的約束力及驅動力矩的作用,該約束力和驅動力矩與B1所受的約束力和驅動力矩大小相等方向相反,即B2受到的約束力為-FG2,驅動力矩為-MG2。在鉸鏈J3處B2受到鉸鏈的約束力FG3及驅動力QG3作用。此外,B2同樣受到空氣動力F2和自身重力m2g的作用。

對于右側機翼外段B3,在鉸鏈J3處受到鉸鏈的約束力和驅動力的作用,這兩個力與B2所受到的約束力和驅動力大小相等方向相反,即B3受到的約束力為-FG3,驅動力為-QG3。此外,B3也受到空氣動力F3和自身重力m3g的作用。

對于左側機翼內段B4、外端B5,由于左右翼對稱,其受力分析與右側機翼類似,不再贅述。

3.3 牛頓-歐拉法動力學建模

對變形飛行器每個剛體Bi(i=1,…,n)建立牛頓-歐拉動力學方程為:

miai=Fai+Fci(i=1,…,n)

(3)

(i=1,…,n)

(4)

式中:ai,Fai,Fci為Bi的加速度、主動力、約束反力;Ii,ωi,Lai,Lci為Bi的中心慣量張量、角速度、主動力對質心的主矢、約束反力對質心的主矢。將以上兩式在機體坐標系中投影,得到矩陣形式的動力學方程:

(Fai+Fci)/mi

(5)

Lai+Lci

(6)

將各剛體的動力學方程相加后,可消去各剛體之間的約束力和約束力矩,得到機體坐標系下標量形式的3個力方程和力矩方程如下:

(7)

(8)

4 結束語

本文將后掠展長組合變形飛行器視為多剛體系統(tǒng),建立變形規(guī)律方程,基于牛頓-歐拉方法建立組合變形飛行器的動力學模型。本文建立的動力學模型適用于普遍情況下的后掠展長組合變形飛行器,為該類型變形飛行器動態(tài)響應分析奠定了基礎。

[1] Seigler T M.Dynamics and control of modeling aircraft [D].Virginia:Virginia Polytechnic Institute and State University,2005.

[2] Seigler T M,Neal D A,Bae J S,et al.Modeling and flight control of large-scale morphing aircraft[J].Journal of Aircraft,2007,44(4):1077-1087.

[3] Seigler T M,Neal D A,Inman D J.Dynamic modeling of large-scale morphing aircraft[R].AIAA-2006-1893,2006.

[4] An Jiguang,Yan Ming,Zhou Wenbo,et al.The dynamic response of a variable sweep aircraft in the course of changing geometry[R].AIAA-86-2234,1986.

[5] 金鼎,張煒,艾俊強.折疊機翼變體飛機縱向操縱性與穩(wěn)定性研究[J].飛行力學,2011,29(1):5-12.

[6] 張公平,廖志忠,段朝陽,等.可變形翼戰(zhàn)術導彈飛行動力學聯合仿真研究[J].航空科學技術,2011(3):71-74.

[7] 張公平,廖志忠,段朝陽,等.可變形翼戰(zhàn)術導彈多體動力學特性[J].彈箭與制導學報,2011,31(6):149-151.

[8] 徐孝武,張煒.折疊機翼變體飛機的動力學建模與分析[J].西北工業(yè)大學學報,2012,30(5):681-688.

(編輯:李怡)

Dynamic modeling of aircraft with sweep and span combined morphing

WANG Zhi-gang1,2, XU Cheng3, ZHOU Jia-xing1,2,LI Na-ying3

(1.School of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China;2.National Key Laboratory of Aerospace Flight Dynamics, Xi’an 710072, China;3.Key Laboratory of Advanced Guidance and Control Technology, Beijing Electro-mechanical Engineering Institute, Beijing 100074, China)

In order to study the response characteristics of morphing aircraft, dynamic model of aircraft with sweep and span combined morphing was established. Considering a morphing aircraft which can change its wing sweep and span as a complete multi-body system, multi-body theory was used to establish the morphing aircraft’s dynamic model. The dynamic model can be widely used in the analysis of aircraft with sweep and span combined morphing.

morphing aircraft; dynamics modeling; multi-body systems

2014-12-10;

2015-03-23;

時間:2015-06-24 15:03

王志剛(1968-),男,陜西渭南人,教授,博士生導師,研究方向為飛行動力學與控制; 徐騁(1980-),男,江蘇江陰人,高級工程師,博士,研究方向為導航、制導與控制; 周嘉星(1989-),男,福建廈門人,博士研究生,研究方向為飛行動力學與控制。

V212.1

A

1002-0853(2015)05-0407-04

猜你喜歡
約束力剛體鉸鏈
差值法巧求剛體轉動慣量
基于虛擬鉸鏈打開機構的艙門提升機構研究
球鉸鏈防塵罩抱緊力優(yōu)化
汽車連接器帶鉸鏈護殼產品的塑料模具設計改進
車載冷發(fā)射系統(tǒng)多剛體動力學快速仿真研究
總經理辦公會通過的勞動規(guī)章制度有法律約束力嗎?
倫理道德在清代借貸契約中的約束力
剛體定點轉動的瞬軸、極面動態(tài)演示教具
大學生內約束力測度研究
更換筆記本電腦鉸鏈