[发明专利]一种基于状态空间形式涡格法的阵风减缓分析方法

说明书

本发明公开了一种基于状态空间形式涡格法的阵风减缓分析方法，依据给定模型建立气动网格，根据状态空间形式涡格法建立模型附着涡涡强、尾涡涡强与机翼表面诱导速度的关系，插值得到有限元模态及舵面模态广义坐标与机翼表面诱导速度的关系后形成气动弹性耦合方程，气动弹性耦合方程同样为状态空间形式，给定阵风模型作为外激励，可进行气动弹性阵风分析；在气动弹性耦合方程的基础上以机翼某点加速度作为系统输出，经过控制器后形成舵面偏转输入信号，搭建闭环控制系统，进行气动弹性阵风减缓仿真分析。本发明的方法能够提高阵风分析精度，避免频域时域转换，提高分析效率。

技术领域

本发明属于结构动力学和气动弹性力学分析技术领域，尤其涉及一种基于状态空间形式涡格法的阵风减缓分析方法。

背景技术

气动弹性力学作为应用力学的分支，主要研究气动力、弹性力与惯性力之间耦合的问题。在气动力作用下弹性结构发生振动与变形，结构弹性运动反过来又会导致气动力的大小及分布发生变化，这种相互作用会带来多种多样的气动弹性现象，包括气动弹性变形、颤振、阵风响应等。飞行器在飞行中遭遇阵风扰动后机体结构会产生颠簸，干扰驾驶员操作，影响乘坐舒适性，增加气动弹性载荷，缩短结构疲劳寿命，严重威胁飞行安全。随着现代飞行器设计要求的逐渐提高，复合材料使用率及结构柔性的增大使得飞行器对阵风扰动的敏感性进一步提高，阵风扰动对于飞行器的影响更加复杂。阵风减缓分析研究对于提高现代飞行器的飞行性能，保障飞行安全具有重要意义。

利用势流理论面元法进行气动力计算是飞行器气动载荷分析的重要方法。面元法在求解精度上相较二维气动力建模方法提高很多且计算效率高，满足理论研究及工程应用需求。偶极子格网法和涡格法是两类常用的气动力计算方法，能够分别在频域和时域上给出气动力计算结果，在气动弹性分析特别是阵风问题分析上应用广泛。

基于偶极子格网法的阵风分析方法是飞行器气动弹性阵风分析的传统方法吗，由于偶极子格网法本身仅能提供频域气动力计算结果，为得到便于系统仿真及控制器设计的状态空间形式动力学方程，需要在偶极子格网法求得的广义非定常气动力影响系数矩阵的基础上进行有理函数拟合，得到气动力时域表达形式。即该方法需要先建立频域气动力模型，再进行频域到时域的拟合，计算较繁琐；同时，有理函数拟合的准确性取决于气动力滞后根的选取，选取依赖经验及反复试验，容易出现较大误差。

涡格法相较于偶极子格网法具有优势。涡格法是时域三维气动力分析方法，不需要简谐振动假设，可以直接计算任意运动下的非定常气动力。传统基于涡格法进行弹性飞行器阵风响应分析主要基于松耦合迭代算法进行结构与气动模型的耦合求解。在该分析框架下针对飞行器全机或部件进行阵风响应分析，计算结果精度令人满意。但随着分析模型复杂性的增加，基于涡格法的松耦合迭代求解方法计算量大，分析效率大幅度降低。同时，松耦合迭代算法也使得分析方法难以应用于控制器设计，无法进行阵风减缓研究。综上，目前气动弹性阵风分析中主流的基于(1)偶极子格网法- 有理函数拟合方法及(2)涡格法-松耦合迭代方法的两类方法均有不足。

状态空间形式的涡格法可以将涡格法气动力模型写为状态空间形式同时不损失精度，Breuker等人在其已发表论文中给出了状态空间形式涡格法的表达形式及基于简单梁模型与状态空间涡格法的气动弹性方程，并未将其应用于基于有限元方法的结构模型，使用范围受到很大限制。同时，已发表文献及专利中未有涉及状态空间形式涡格法能够将气动模型写为状态空间形式，在控制仿真及设计上具有很大优势。

发明内容

为了克服传统气动弹性阵风分析中(1)偶极子格网法-有理函数拟合方法需要进行有理函数拟合导致精度下降、步骤繁琐及(2)涡格法-松耦合迭代方法计算效率低，不便于控制系统设计的不足。已有的基于状态空间形式涡格法的阵风分析不能适用于有限元复杂模型同时未有扩展至阵风减缓控制问题，本发明基于状态空间形式的涡格法建立气动弹性阵风响应计算及气动弹性阵风减缓分析框架，提出一种高效准确的气动弹性阵风响应计算方法，建立气动弹性阵风减缓分析方法。本发明的具体技术方案如下：

一种基于状态空间形式涡格法的阵风减缓分析方法，包括以下步骤：