[发明专利]一种固定翼飞机阵风响应建模分析方法

说明书

本发明公开了一种固定翼飞机阵风响应建模分析方法，该方法通过气动力模型降阶，减少了模型阶数，该建模分析方法相较传统方法具有较高的精度，且计算量小，适用于工程分析。该模型与飞机结构模型、大气模型和舵机模型等耦合后得到阶数较低的阵风响应模型，便于阵风响应分析和阵风减缓控制设计。

技术领域

本发明属于飞行器阵风减缓控制技术领域，尤其涉及一种固定翼飞机阵风响应建模分析方法。

背景技术

大气中存在复杂的气流运动，固定翼飞机在其中飞行时易受这些扰动的影响。其中垂直阵风不仅会使飞机产生较大的过载，产生较大的动态结构载荷，加快结构疲劳破坏，而且会降低飞机飞行品质，不利于机载设备的正常运行。因此，进行飞机设计时，有必要建立飞机的阵风响应模型，分析其阵风响应特性，以便进行阵风减缓控制设计。

克莱菲尔德大学的Guo Shijun和北航李道春团队研究过一种被动阵风减缓装置。该装置是较短的一截翼段，由一根弹性轴与翼梢结构连接。弹性轴位于翼段的压心前，可以降低阵风引起的气动载荷，达到阵风减缓的效果。

建立阵风响应模型时需考虑飞机遭遇阵风时受到非定常气动力。传统采用涡格法计算机翼所受的气动力，该方法计算量相对较小，但精度不高。计算流体力学(CFD)方法可以提供较高的精度，但计算时间很长，而且自由度过于庞大，难以用于阵风减缓控制设计。此外，由于翼尖被动阵风减缓装置的引入使翼梢处的流动更为复杂，更加降低了涡格法等传统方法的精度。

发明内容

本发明提出了一种固定翼飞机阵风响应建模分析方法，该模型相较传统方法具有较高的精度，且计算量小，适用于工程分析。该气动力模型阶数较小，与飞机结构模型、大气模型和舵机模型等耦合后得到阶数较低的阵风响应模型，便于阵风响应分析和阵风减缓控制设计，具体步骤如下：

1)针对带被动阵风减缓装置的固定翼飞机，进行有限元分析，提取飞机结构的前几阶模态，这些模态代表飞机结构的动力学响应，有效降低结构模型阶数。

2)分析翼尖装置的结构模态，使用正交分解的方法将翼尖装置的结构模态和机翼的结构模态解耦，得到翼尖装置的转动模态。

3)定义单位阶跃输入为：

用多项式分别拟合各阶模态的变形，将变形量插值到气动网格节点上，通过动网格方法，使用CFD计算所述结构各模态单位阶跃输入下的各时间步的非定常广义气动力，记为y(n)。

4)用一阶的Volterra级数表示非定常广义气动力其中h(k),k＝1,2,…,K是Volterra级数的核函数，由下式得到：

5)构造Hankel矩阵：

其中，n为大于0的整数，r和s用来确定矩阵的大小，r表示该矩阵的行数，s表示列数，该矩阵为对称矩阵，r与s满足n+s+r-2≤K。

6)对上述Hankel矩阵进行奇异值分解得到构造出广义非定常气动力的状态方程：

其中，x_a是该状态空间的状态变量，u为该状态空间的输入，该输入为结构的形变量，即广义位移，F_a为系统的输出量，即为广义气动力。

其中，与定义如下：

I_p与I_m是维度为p与m的单位方阵，0_p与0_m是维度为p与m的零方阵，与的维度分别是p×rp，m×sm。