倾转变形四旋翼飞行器的设计和实现

针对灾难搜救、军事侦察等应用中的狭窄空间飞行需求,提出一种俯仰姿态可以独立控制的四旋翼飞行器。该飞行器在普通四旋翼飞行器的基础上增加了一个倾转自由度,由一个驱动来独立控制飞行器的俯仰姿态,实现指定倾转角的悬停和飞行。建立了飞行器气动力仿真模型,仿真分析了倾转状态下旋翼间气流干扰对气动力特性的影响。搭建了气动力特性测试平台,通过实验验证了气动力仿真模型的有效性。最后,研制了飞行器原理样机,进行了倾转悬停和倾转飞行实验。研究结果表明,飞行器可以实现接近90°的倾转悬停,同时可以以倾转60°的俯仰姿态稳定飞行,验证了倾转变形四旋翼飞行器穿越狭窄空间的可行性。     

旋翼螺旋桨的快速气动优化设计（英文）

相对于推进螺旋桨的空气动力学设计问题,倾转旋翼螺旋桨的气动设计问题是一个复杂并具有挑战性的任务。倾转旋翼螺旋桨具有工作在多个飞行状态下的特点,对于该桨叶各个飞行状态对应着不同的入流条件。因此,为了在各个飞行状态下维持良好的空气动力学性能,变桨矩倾转旋翼螺旋桨的设计概念被提出。为了进一步提升倾转旋翼螺旋桨在不同入流条件下的空气动力学性能,倾转旋翼螺旋桨的气动折中设计将无法避免。在文中分别分析和讨论了主导倾转旋翼螺旋桨气动性能的设计因子。同时采用了遗传算法对倾转旋翼螺旋桨气动设计问题进行了多目标优化设计。在优化过程中为了避免采用计算量巨大的旋翼螺旋桨气动求解器,在该工作中实现并验证了经典涡流理论和叶素动量理论快速计算方法,在优化设计过程中为桨叶提供了迅速的气动性能计算,从而加速了优化设计过程。在文章的最后,针对优化设计个体桨叶进行了讨论,并通过高精度气动求解器对优化设计桨叶进行验证。     

斜盘式气动发动机动力学仿真

斜盘式气动发动机是为满足特殊工作环境需求而设计的一种新型气动发动机,为了对该发动机的性能进行预测与评估,运用多刚体动力学理论对发动机的活塞、连杆、导槽约束机构等各组件进行运动学和动力学分析,在此基础上结合发动机气缸内气体状态模型以及负载模型,推导发动机的动力学仿真模型.根据动力学仿真模型编制仿真软件,进行发动机工作过程的动态仿真.建立发动机样机试验系统,并进行样机试验.试验结果与仿真结果的对比表明:这种新型发动机在工作原理和结构设计上都是可行的,所建立的动力学仿真模型是基本正确的,进行适当修正后可用于发动机优化设计.     

可倾转变形四旋翼飞行器建模与飞行仿真

为了提高四旋翼飞行器在地震灾难现场等内部狭窄空间中的通过性,提出了一种新型的螺旋桨可倾转的四旋翼飞行器。该四旋翼飞行器在传统四旋翼飞行器基础上增加了一个倾转自由度,实现四个螺旋桨同步、同向倾转,进而可以改变飞行器构型来适应狭窄飞行空间。建立了倾转变形四旋翼飞行器动力学数学模型,在Simulink/SimMechanics仿真环境中搭建了四旋翼飞行器动力学模型,设计了串级PID控制器,实现了四旋翼飞行器在倾转状态下稳定飞行,分析了飞行器穿越狭窄空间的飞行动作及轨迹跟踪情况。仿真结果表明倾转变形四旋翼飞行器构型设计和仿真系统是可行的。     

倾转旋翼无人机混合动力系统的建模与仿真研究

为了分析油电混合动力系统的工作性能,以燃气涡轮发动机为基础,建立倾转旋翼无人机的油电混合动力系统模型。根据倾转旋翼无人机的工作特点,给出油电混合动力系统的功率配置方案,计算分析混合动力系统在倾转旋翼无人机典型飞行任务剖面下的工作性能,为后续研究倾转旋翼无人机的动力系统奠定基础。     

基于虚拟样机的某型转管机枪动力学仿真

转管枪设计过程中对主要部件的动力学特性描述是非常必要的.文中在分析了某型号转管枪自动机原理和受力特点的基础上,利用SolidWorks和ADAMS建立了该枪的110刚体63自由度的虚拟样机的自动机模型.选取枪管角位移、枪机速度和位移为校验指标,对比分析仿真结果与试验结果,验证了仿真分析的可信性.通过虚拟仿真获得了自动机运动过程中各主要部件的动力学特性,并研究了部分结构参数对机枪动力学特性的影响,为进一步的仿真及结构优化奠定了基础.     

自主无人直升机桨叶挠变挥舞运动动力学建模

某30kg级自主无人直升机的跷跷板结构主旋翼是挠性的。针对该直升机,基于达朗伯原理建立绕自由空间点转动的桨叶挠变挥舞运动动力学模型,并借鉴悬臂梁受力挠变处理方法给出了桨叶挠变方程。数值仿真验证了桨叶挠变挥舞运动动力学模型的正确性。     

基于旋翼负压混合吸附的爬壁清洗机器人系统动力学性能研究

针对爬壁清洗机器人越障时,负压装置的吸附力下降导致吸附不稳定的问题,设计了一种旋翼负压混合吸附工作的多边形履带清洗机器人,并对爬行稳定性及越障性能进行了动力学分析。首先根据机器人爬壁的运动原理,建立机器人沿玻璃幕墙上的动力学模型,计算出电机理论驱动力矩;其次分析机器人在跨越障碍过程中的运动模型,结合与壁面接触的实际受力状态,对越障过程中关键阶段的本体倾翻、滑移两种失效形式进行运动学和动力学分析;然后根据玻璃幕墙实际的障碍高度,确定多边形履带的参数和理论驱动力矩的大小,并研制了实验样机进行爬行和越障试验,结果表明所设计的机器人具有良好的越障性能。     

透平气动马达转子系统的动力学特性研究

基于厘米级反击式微型透平机的透平气动马达,是项目组所提出的一类新型气动马达.针对所研制的该类透平气动马达样机中的高速转子系统的动力学问题,基于有限元法对该透平气动马达转子系统的最大应力点和临界转速进行了分析,得出了该转子系统的合理转速范围;此外,还分别对转子系统最大应力、振动模态与设计参数及工作转速的内在关系进行了探讨.研究结果对该类气动马达合理运行转速的确定及结构优化提供依据,并为新一轮样机的研制和转子系统动力学品质改善指明方向.     

旋翼间距对微型四旋翼无人机负载特性影响

结合雷诺平均N-S(Navier-stokes)方程以及Laminar层流模型建立了微型四旋翼无人机旋翼流场的三维模型,通过求解N-S方程的方法,研究了微型四旋翼悬停状态下不同旋翼间距对其气动特性的影响。旋翼升力测量实验以及非定常计算得到的仿真误差为8.17%,验证了仿真数据的有效性。分别对升力、力矩以及悬停效率进行分析,得到了旋翼间距3.8 r是最佳的微型四旋翼间距方案的结论;进一步对单旋翼以及不同旋翼间距的流场进行分析得出旋翼之间的气动扰动可以改变翼尖涡的强度,从而产生不同的气动特性。     

基于气弹耦合特征的风力机叶片优化设计

为提高风力机叶片气动结构性能,基于风力机风轮空气动力学及叶片结构动力学原理,选取叶片所处位置及扭转变形为自由度,在研究叶片摆振、摆振方向各阶振动模态的基础上,提出风力机叶片气动弹性耦合振动变形计算模型。基于风力机整机部件构成及输出功率特征,提出风力机叶片优化设计模型,对某5 MW风力机叶片的进行形状优化设计,通过对比分析优化叶片和原始叶片的输出功率及气弹载荷特性,验证优化叶片气动及结构性能的优越性。     

基于最小二乘法的转子不平衡振动信号的提取

不平衡振动是旋转机械失效的重要原因,实现精确平衡必须从强噪声中提取出与主轴转速同频的不平衡量振动信号,因此,不平衡振动信号的准确提取是进行转子动平衡的前提。基于最小二乘法的原理,通过建立提取转子振动不平衡信号的数学模型,提出了一种准确提取转子不平衡振动信号的方法。基于该方法,并通过Matlab仿真分析,有效提取了转子振动不平衡信号。研究表明,基于最小二乘法的转子振动不平衡信号提取方法能够准确提取转子不平衡振动的幅值和相位信息,该方法可用于转子不平衡振动监测及动平衡等方面。     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

风力机动态偏航时对风轮气动性能影响的数值模拟研究

本文是对动态偏航风力机输出功率和风轮表面的压力分布进行了研究。以某S翼型风力机叶片为研究对象,采用有限元方法,模拟叶片在额定工况下以10°/s的旋转速度从正对来流风开始顺时针匀速偏转30°。在动态偏航过程中取10°,20°两个偏航角位置时的风轮表面气动力及5°,10°,15°,20°,25°,30°六个偏航角下风轮的输出功率分别进行气动力及输出功率对比,结果发现:同一偏航角下,风力机动态偏航时,三支叶片间存在不平衡气动力;同一偏航角同一叶片相同径向位置,风轮动态偏航时压力面与吸力面的压强差小于风轮静态偏航时压力面与吸力面的压强差。风力机发生动态偏航时,风力机受气动力变化幅度较大,输出功率会较大波动。     

基于ROMAX的球轴承转子系统动态性能分析

滚动轴承转子系统在旋转机械系统中得到广泛应用,其动态性能对旋转机械有着重要的影响。基于Romax软件建立球轴承转子系统的动力学分析模型,通过算例分析了工况参数和结构参数对球轴承转子系统动态特性的影响规律,并通过实验结果验证了Romax对轴承性能预测的准确性。研究发现球轴承的接触角、内外圈沟曲率系数与安装位置对轴承的刚度、寿命与转子系统临界转速等动态性能有较大影响。工程中需要选择合适的结构与工况参数以满足转子系统的性能要求。     

转子系统动力特性分析

用传递矩阵法推导转子系统临界转速和动态不平衡响应的计算公式 ,用 MATL AB软件编写了相应的计算程序 ,用一个有理论解的例子对程序进行考核。对一模型悬臂转子进行了比较全面的分析 ,得出了转子系统的临界转速的变化规律。在此基础上对某实际火箭发动机转子系统的动力学特性进行了分析。研究了联轴器刚度、浮动环刚度等对转子特性的影响     

Aeroelastic stability analysis of hingeless rotor blades with composite flexures

The flap-lag-torsion coupled aeroelastic behavior of a hingeless rotor blade with composite flexures in hovering flight has been investigated by using the finite element method. The quasi-steady strip theory with dynamic inflow effects is used to obtain the aerodynamic loads acting on the blade. The governing differential equations of motion undergoing moderately large displacements and rotations are derived using the Hamilton’s principle. The flexures used in the present model are composed of two composite plates which are rigidly attached together. The lead-lag flexure is located inboard of the flap flexure. A mixed warping model that combines the St. Venant torsion and the Vlasov torsion is developed to describe the twist behavior of the composite flexure. Numerical simulations are carried out to correlate the present results with experimental test data and also to identify the effects of structural couplings of the composite flexures on the aeroelastic stability of the blade. The prediction results agree well with other experimental data. The effects of elastic coupling such as pitch-flap, pitch-lag, and flap-lag couplings on the stability behavior of the composite blades are also investigated.     

基于接触有限元的齿轮-转子系统动态特性分析

考虑齿轮-转子系统各部件的弹性,基于接触有限元理论提出一种能够高保真模拟齿轮副连续啮合过程的动态特性分析方法。该方法利用实体有限元进行系统建模,可体现各部件的结构特征;基于接触有限元进行啮合过程仿真,可模拟系统的时变刚度、啮合冲击等真实激励进而得到全面准确的响应信息。以一直齿轮-转子系统为例进行啮合过程的数值仿真,利用中心差分法求得系统各动力学参量在时域上的响应,通过中心距偏差、动态传递误差、动态接触力等参数分析系统的弯曲振动、扭转振动、齿轮副的啮合特性及其耦合关系。研究结果表明：考虑各部件尤其是转子的弹性后,系统的非线性振动特性显著,齿轮副啮合存在明显的双边冲击及脱啮现象。     

Aerodynamic analysis of tilt-rotor Unmanned Aerial Vehicle with computational fluid dynamics

CFD simulation for one of tilt-rotor UAV configurations, TR-E2S1, was performed to investigate its aerodynamic characteristics. Control surfaces such as elevator and rudder were deflected and wing incidence angle was changed. Also aerodynamic stabilities were analyzed with the variation of pitch and yaw angles. The comparison of CFD with wind tunnel test results reveals the same trends in the aerodynamic characteristics and stabilities. However 12% scale wind tunnel test model is too small for accurate data collection and should build a high fidelity model for quantitative data comparison.     

质量慢变转子-滚动轴承系统的支承松动故障分析

根据转子动力学、非线性动力学及Hertz理论,建立了带有一端支座松动故障的滚动轴承—质量慢变转子系统的非线性动力学模型。通过数值积分和Poincare映射方法对其非线性动力学行为进行了数值仿真研究,给出了系统响应随转子转动频率变化的分岔图和一些典型的轴心轨迹图及Poincare截面图,分析了转动频率对转子系统动力学行为的影响。结论表明,转子系统在滚动轴承、支承松动和质量慢变的同时作用下具有复杂的动力学行为,转子系统的起始松动频率为0.6倍的固有频率,转子的周期运动均为多周期运动,转子圆盘和松动质量的运动特性均不稳定等。