非线性气动弹性系统的鲁棒稳定性分析

基于结构奇异值理论和特征多项式的值域方法,研究了带有结构和气动参数不确定性的非线性二元机翼的鲁棒稳定性问题.机翼模型包括非线性的扭转弹簧和能够反映失速效应的非线性气动模型.针对零摄动,使用肛方法分析线性化系统在平衡点的鲁棒稳定性.针对非零摄动,将平衡点位置看作关于不确定参数的函数并展开为泰勒级数,从而在μ方法的框架下考虑平衡点的不确定性.此外,计算不确定特征多项式的值域范围,并使用除零条件来判断其鲁棒稳定性.仿真数值结果给出了鲁棒颤振速度的上下界,表明了方法的有效性.     

气动弹性系统的模型确认与鲁棒颤振分析

研究了气动弹性系统的不确定性建模和鲁棒颤振分析问题.将结构的不确定性考虑为参数形式,非定常气动力的不确定性考虑为参数和未建模动态两种形式,建立了不确定系统的线性分式变换模型.分别使用基于Carathe-dory-Fejer插值定理和Nevanlinna-Pick插值定理的模型集检验方法进行了模型确认,在时间域和频率域中对模型集的有效性进行了验证,确定了不确定性的幅值.对于模型确认得到的不确定气动弹性系统,使用μ分析方法进行了鲁棒颤振分析.计算中,飞行速度是作为给定参数而不再是作为摄动变量,由此得到的鲁棒稳定性边界是匹配点解.仿真数值结果给出了鲁棒颤振速度,表明了方法的有效性.     

超音速飞行器翼—身组合体的颤振研究

飞行器的颤振是结构在高速气流中发生的一种自激振动现象,而这种现象在超音速和高超音速飞行器上极易发生。由于飞行器自身结构的复杂性,传统的组合体结构颤振分析在这种工况下会产生较大误差。利用特别适合复杂结构建模的动态子结构方法,针对飞行器在超音速飞行状态下高超音速流与飞行器自身结构的特点,考虑机翼、机身组合布局在颤振形态上产生的复杂情况,利用动态子结构中自由界面模态综合法,将整个飞行器分成机身、机翼子结构,基于非线性气动理论结合有限元计算软件,计算气动力分布情况并建立飞行器翼—身组合体系统的振动微分方程,对其进行颤振特性分析,得到飞行器在所设工况下的振动与颤振特性与颤振临界状态,实现全机气动弹性问题的仿真计算。为动态子结构方法应用于超音速飞行器的颤振研究提供理论基础,拓展了超音速飞行器组合体颤振的计算方法。     

含模糊-区间变量的结构非概率可靠性优化设计

工程结构中存在着诸多不确定性因素,可靠性方法是处理不确定因素的有效途径之一。针对大量工程结构中存在混合不确定信息的问题,提出了一种适用于工程的混合不确定性可靠度计算方法。将模糊变量转化为区间变量,基于体积比的区间可靠性模型,建立了含模糊-区间混合变量的结构非概率可靠性模型。由于该可靠性模型意义明确,对模糊信息的处理也比较合理,可作为混合可靠性计算方法的一种补充。应用此可靠性模型对某飞机机翼结构进行了优化设计,实例计算说明了该文的方法是有效和可行的。     

副翼对机翼颤振特性的影响研究

机翼颤振主要是机翼弯扭颤振和翼面-副翼颤振两种,本文对上述两种颧振性的原理进行了阐述,并结合机翼有限元模型．进行了颤振计算分析,讨论了不同副翼偏转频率对机翼颤振型的影响,为结构设计及优化提供了参考依据。     

新型运输机机翼的颤振特性分析

应用高精度耦合计算方法,对带翼梢小翼和C型翼梢的运输机机翼颤振机理进行了研究.气动弹性模拟中,采用Euler方程描述非线性气动力,基于有限元方法获得结构响应.首先详细分析了基本机翼的颤振和极限环振荡(LCO),并与试验值进行比较.在此基础上进行带翼梢装置的机翼颤振特性计算,同时合理分离翼梢装置的质量和气动力作用.研究结...     

考虑螺栓连接刚度不确定性的带法兰-圆柱壳结构频响函数分析

提出了一种利用Chebyshev多项式代理模型来分析螺栓连接带法兰-圆柱壳结构频响函数不确定性的区间分析法。首先,利用8节点退化壳单元,通过有限元方法建立了带法兰-圆柱壳结构的动力学模型,从而求解系统的频响函数,并与实验测试的频响函数进行对比,验证了所建模型的有效性。然后,基于区间分析法建立了含区间参数的频响函数Chebyshev多项式代理模型。最后,考虑法兰处螺栓连接刚度不确定性,得到了单方向和多方向的连接刚度存在不确定性时的频响函数区间范围,并通过Monte-Carlo抽样法进行了验证。研究结果表明:Chebyshev多项式代理模型具有较高的求解精度和计算效率,轴向连接刚度不确定性对系统的频响函数影响最大;螺栓连接刚度不确定性主要导致频响函数在系统第1阶和第3阶固有频率处形成较宽的共振带。     

基于广义BP神经网络的切削颤振识别研究

切削颤振将降低加工质量和加工效率,其一直是切削加工领域的一项重要研究课题。针对传统的切削颤振识别方法中,存在获取颤振加工信号中的测量不确定性问题及识别模型中的模型不确定性问题,提出基于广义区间理论的广义BP神经网络切削颤振识别模型,利用广义区间不确定性分析方法将测量不确定性量转换为广义区间量,并进行广义区间形式的时频特征提取,最后将广义区间化的特征量代入广义BP神经网络识别模型中,对切削加工状态进行识别。试验结果显示,提出的广义BP神经网络颤振模型比传统BP神经网络颤振模型有更高的识别率。     

机翼气动弹性的随机不确定性分析研究

通过分析气动弹性状态方程的特征值来求解颤振临界速度,并建立颤振的安全裕度方程.针对带有操纵面机构的二元三自由度机翼颤振问题,分别采用重要抽样法和线抽样可靠性分析技术,在d维标准正态空间中对飞机机翼的气动弹性问题进行失效概率和灵敏性分析,推导得出反映随机参数对失效概率影响程度的灵敏度因子,在假设条件下的分析结果表明了模型尺寸、质量比等对颤振可靠性的影响很小,故在进一步的计算中认为它们是确定量.仅考虑固有频率为随机变量情况下的不确定性分析.以重要抽样法的结果为近似精确解,验证了线抽样不确定性分析方法的正确性和高效性.     

采用等效刚度有限元模型的复合材料机翼颤振分析

采用等效刚度方法,研究了一种适用于机翼初步设计阶段的动力学和颤振分析的结构有限元模型。该方法首先计算不同布局形式的加筋壁板的刚度矩阵,然后将其赋予与加筋壁板平面形状相同的光板（等效板）上,使加筋壁板和等效板具相同的力学性能。该方法的优点是避免了加强筋的有限元建模,从而使有限元模型的复杂程度大大降低,但同时等效刚度结构有限元模型仍能反映机翼加筋壁板的结构特性。以某客机概念方案的机翼为例,建立了反映实际结构详细有限元及其等效刚度有限元模型。计算结果和对比分析表明,两种模型的固有频率、振动模态和颤振分析结果吻合得很好,从而验证了等效刚度方法在机翼结构动力学和颤振分析方面的准确性。由于该方法具有简单快速和准确的优点,可用于机翼初步设计阶段对颤振特性的评估。     

Design optimization framework for tiltrotor composite wings considering whirl flutter stability

This paper constructs the design optimization framework for the composite wing of a tiltrotor aircraft based on the Korea Aerospace Research Institute (KARI) Smart Unmanned Aerial Vehicle (SUAV) TRS4 model. The present optimal design attempts to find the cross-section layout that minimizes the structural weight of a composite wing, while satisfying a series of design constraints. The framework consists of various analysis and design tools that include a 2-D beam cross-section analysis, a whirl flutter analysis, and a 3-D strain/stress analysis under the worst wing-loading case. The variation of wing sectional properties of tiltrotor aircrafts in the course of design optimization greatly affects the whirl flutter stability and shows considerable influence on the structural integrity of the wing. In the design framework, the whirl flutter stability is analysed by the nonlinear flexible multibody analysis code DYMORE and the structural integrity is investigated using a MATLAB-based 3-D strain analysis module along with the previous load analysis result. The MATLAB is used to conduct the optimization with a gradient-based optimizer and integrate all of the design and analysis tools. The nonlinear constraints associated with the aeroelastic stability and the structural integrity are also considered. For optimal design examples using the developed framework, a simplified cross-section model based on the KARI SUAV TRS4 composite wing is considered as an initial model. Design optimization examples are investigated to show the validity of the proposed framework and to illustrate the reduction of the structural weight of the composite wing. It is observed that weight reductions of wing structures by 26% and 40% are achieved, while maintaining the whirl flutter stability margins.     

多源不确定性条件下气动弹性系统颤振可靠性分析方法

传统的气动弹性系统颤振分析模型大多是在确定性参数条件下建立的,当系统中存在不确定因素时,按确定性方法设计的气动弹性系统存在颤振失效风险.以概率和非概率区间模型为基础,建立了单源不确定性条件下颤振可靠性分析模型;在此基础上,针对含随机和区间多源不确定参数的气动弹性系统颤振可靠性分析问题,提出一种基于分步求解策略的新型混合...     

用当地流活塞理论计算大攻角翼面超音速颤振

本文应用当地流活塞理论，推导了弹性振动翼面的非定常压力分布以及用模态坐标表示的广义气动力系数矩阵，相应的颤振运动方程和特征方程，提出了可用于大攻角、有限厚度翼面超音速颤振计算的一种新的工程计算方法。算例表明方法的可行性和工程实用价值。     

Flutter boundary prediction of an adaptive morphing wing for unmanned aerial vehicle

We have developed a novel morphing wing design for UAV that makes use of shape memory alloys as actuators. The advantages of the novel design have already been addressed in earlier publications by Meguid and his collaborators. Because of the flexibility of the wing, it is highly desirable to investigate flutter instability. This study addresses flutter instability for our novel morphing wing at low speed considering different morphing wing configurations. Structural dynamics of the wing is obtained using lumped mass method and unsteady aerodynamic based on strip model is used to evaluate the aerodynamic forces and moments. Flutter boundary was predicted using p-k method. The results indicate that the newly designed flexible concept of the morphing wing increases the critical flutter velocity.     

超音速流中结构非线性二元机翼的复杂响应研究

基于活塞理论计算作用在二元机翼上的气动力，采用拉格朗日方程建立系统的运动微分方程。通过平衡点的Jacobi矩阵的特征方程求出了系统的Hopf分叉点，研究了带有立方非线性俯仰刚度二自由度机翼系统在典型参数下的稳定极限环颤振和混沌响应。结果表明，在超过一定的流体速度后，系统平衡点的个数及稳定性均发生了变化；随着流速的增大，在积分初始值较小时，系统出现混沌等极为复杂的响应。     

高超声速机翼非线性颤振特性分析

采用3阶修正活塞理论推导二元高超声速机翼的非线性气动弹性动力学方程。选取几组系统参数,分别通过求取系统特征值,得到线性颤振速度。以及在考虑非线性效应时,分析系统在不同流速下的动力学响应特性。数值仿真的结果表明系统的非线性效应可以延迟或提前极限环振荡的产生。     

碰撞阻尼器对机翼／外挂系统颤振半主动抑制分析

本文在碰撞阻尼器引入机翼/外挂系统的基础上,分析了碰撞间隙对机翼/外挂系统颤振速度的影响,建立了半主动抑制颤振模型,用增益调度控制方法对带碰撞阻尼器的机翼/外挂系统进行反馈控制。结果表明,机翼/外挂系统颤振速度大大提高。     

Unified reliability analysis by active learning Kriging model combining with random‐set based Monte Carlo simulation method

Reliability analysis with both aleatory and epistemic uncertainties is investigated in this paper. The aleatory uncertainties are described with random variables, and epistemic uncertainties are tackled with evidence theory. To estimate the bounds of failure probability, several methods have been proposed. However, the existing methods suffer the dimensionality challenge of epistemic variables. To get rid of this challenge, a so‐called random‐set based Monte Carlo simulation (RS‐MCS) method derived from the theory of random sets is offered. Nevertheless, RS‐MCS is also computational expensive. So an active learning Kriging (ALK) model that only rightly predicts the sign of performance function is introduced and closely integrated with RS‐MCS. The proposed method is termed as ALK‐RS‐MCS. ALK‐RS‐MCS accurately predicts the bounds of failure probability using as few function calls as possible. Moreover, in ALK‐RS‐MCS, an optimization method based on Karush–Kuhn–Tucker conditions is proposed to make the estimation of failure probability interval more efficient based on the Kriging model. The efficiency and accuracy of the proposed approach are demonstrated with four examples. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

超音速弹翼非线性颤振分析与控制

摘　要：研究超音速弹翼非线性气动弹性稳定性与主动控制问题。采用三阶活塞理论建立含间隙弹翼非线性气动弹性动力学方程,分别利用Hopf分岔理论及数值方法给出系统的线性与非线性颤振速度,应用基于微分几何法及二次型最优控制相结合的方法,设计非线性系统控制器。最后分析控制器及系统参数对控制效果的影响。仿真结果表明设计的控制器可有效地实现对非线性系统颤振的抑制。     

一类非线性颤振问题的奇异摄动解

本文将非线性振动理论中的多尺度奇异摄动法推广应用于以非定常气动力理论为基础的机翼非线性颤振分析,给出了系统颤振响应的渐近解析解,并对解的稳定性进行了分析,得到的稳定颤振边界与数值积分结果相吻合。用本文的方法对带立方型非线性刚度的颤振系统进行分析,具有既定性又定量的优点,有进一步研究的前景。