细长体分布式载荷的缩聚及其在气动伺服弹性地面模拟中的应用.pdf
《细长体分布式载荷的缩聚及其在气动伺服弹性地面模拟中的应用.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《细长体分布式载荷的缩聚及其在气动伺服弹性地面模拟中的应用.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、引用格式:吴志刚 尹烈鹏 余长坤.细长体分布式载荷的缩聚及其在气动伺服弹性地面模拟中的应用.航空兵器 ():.():.()细长体分布式载荷的缩聚及其在气动伺服弹性地面模拟中的应用吴志刚 尹烈鹏 余长坤(北京航空航天大学 航空科学与工程学院 北京)摘 要:气动伺服弹性地面模拟试验是近年发展出的一种新型气动弹性地面试验技术 其中的一个关键问题就是非定常气动力的缩聚 即将飞行器所受的分布式气动载荷缩聚为少数几个集中载荷传统缩聚方法以简单的力、力矩平衡准则对分布力进行处理 或者是通过求解静不定问题 把支反力作为缩聚力 均存在一些缺点 本文提出一种基于一维样条插值的细长体分布式载荷缩聚方法 采用关键模态
2、相似准则来优化缩聚点位置 以达到细长体在缩聚点集中式载荷作用下的动响应与分布式载荷作用下的动响应最为接近的效果 利用简支梁、悬臂梁两个算例验证了所提出的分布式载荷缩聚方法的精度 并将该方法应用于一个细长体导弹的气动伺服弹性地面模拟中 数值仿真表明 所提方法能够快速准确将导弹的非定常气动力缩聚成实时的集中力 满足气动伺服弹性地面模拟试验的精度和快速性要求关键词:气动伺服弹性 地面试验 载荷缩聚 细长体 样条插值 中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.引 言气动弹性地面模拟试验是近年来发展的新型气动弹性地面试验技术 该方法以真实飞行器为研究对象 根据传感器采集到的结构振动信息 实时计算缩
3、聚点的集中非定常气动力 使用力加载装置进行集中力的实时加载 从而在地面无风洞情况下模拟飞行器在空中飞行时的气动弹性特性 世纪 年代 美国的 最早提出了颤振地面仿真的概念 初步探索了模拟导弹飞行时机翼气动力的地面试验方法 国内早期研究代表为潘树祥和齐丕骞 主要进行了结构热颤振的地面试验研究 受限于当时的理论方法及硬件水平 试验误差较大近年来 诸多学者开展了进一步的研究 美国 公司的 等 于 年开展了颤振地面模拟试验并命名为干风洞技术()试验使用少数激振器对结构施加集中力来模拟分布式气动载荷并进行了颤振预测 年 许云涛等 对颤振地面模拟试验中的非定常气动力模拟进行了细致的研究 随后 和张仁嘉等 开
4、展了舵系统颤振地面模拟的实验研究 设计了只具有沉浮和旋转自由度的舵系统实验模型 年 等开展了矩形平板机翼颤振地面模拟试验 其他国内学者如胡巍和 等 在气动力缩聚理论、力控制方法、试验误差干扰影响等方面都对颤振地面模拟试验方法做出了贡献 对于气动伺服弹性地面模拟试验 和楚龙飞等 针对带有控制回路的细长体导弹进行了试验研究 受力加载设备特性和气动力计算理论限制 未考虑分布式非定常气动力的缩聚 仅将弹体划分为前后两个气动段 一般认为细长体气动段划分数量越多 气动力计算越准确缩聚()在力学上是指为满足某种等效条件 将分布力转化成作用在若干结点上集中力的处理方法 在气动伺服弹性地面模拟试验中 研究对象可
5、能涉及长细比大于 的细长体 如导弹、火箭 细长体所受分布式载荷一般包括分布式气动载荷、惯性载荷等收稿日期:基金项目:航空科学基金项目()作者简介:吴志刚()男 江西萍乡人 教授 年第 卷第 期 年 月 航空兵器 .其通常是非定常的 且可以简化为沿细长体中心轴呈一维分布的分布力 该试验需要通过一定的加载设备来模拟这种分布式载荷 由于加载设备数量及加载空间的限制 需要将细长体分布式载荷等效缩聚为少数个作用点的集中载荷 因此 分布式载荷缩聚方法的优劣决定了试验结果的准确性工程上常用的一种缩聚方法是静力学等效方法 即将试验结构视为刚体 依据刚体静力学平衡的原则进行分布式载荷的等效缩聚 该方法在飞行器静
6、力试验中应用广泛 但对动力学试验和气动弹性地面模拟试验并不适用 在这类试验中 分布式非定常气动力与试验结构的弹性变形相关 传统方法无法保证试验结构在缩聚后集中力作用下的动响应与分布式载荷作用下动响应等效 目前已有的文献 主要针对平板机翼等开展气动力缩聚研究 文献研究的也是一种小展弦比翼面的非定常气动力缩聚方法 而对于细长体的非定常气动力缩聚方法还鲜见有文献报道 大多数气动弹性地面模拟试验研究关注的是颤振问题 关于导弹气动伺服弹性的地面模拟研究也较少本文旨在提出一种细长体分布力的等效缩聚方法既可替代传统方法应用于细长体静力试验 也可应用于细长体动力学试验 与传统方法相比 该等效缩聚方法只与外载荷
7、分布情况以及缩聚点的位置有关 不需要研究对象的结构信息 为验证方法的精度 通过两个算例分别验证缩聚方法在静力学、动力学中的效果 最后将本文方法应用于细长体导弹的气动伺服弹性地面模拟中 通过数值仿真来评估应用效果 载荷缩聚的问题描述细长体分布载荷的缩聚问题为:如图 所示的一维梁式结构中 作用于梁上有集度为()的分布力 在梁上寻找 个缩聚点(横坐标记为 )各缩聚点的集中作用力为 使得集中载荷的作用与原分布载荷等效 求缩聚点的位置及其集中力图 分布载荷缩聚问题示意图.这里需要说明一下“等效”的含义“等效”在不同的情况下含义是不同的 在传统方法中 静力学等效认为结构是一个刚体 从力的平衡角度来处理 即
8、若缩聚前后 作用在结构上的合力、合力矩均相同 则视为等效若满足合力、合力矩相同的同时 要求缩聚点处位移、转角连续 则是另一种标准下的等效 本文方法的等效是基于动力学响应特性 传统方法的回顾传统方法主要有两种:静力学等效、静力学求解 下面分别简述其基本原理和处理方法.静力学等效静力学等效是假设梁为刚体 缩聚点的集中力与原分布作用力是静力等效的(在二维平面内即合力相等对参考点的合力矩相等)在实际处理中 首先将梁分成 段 分别对各段上的分布力进行集中 再按静力等效分配到各段梁的 个结点上 如图 所示图 静力学等效示意图.图中 与()的关系满足:()()()对每一段进行相同的求解 得到各缩聚点的集中力
9、大小这种方法的问题是不能保证结构变形等效 需要有较多的缩聚点 才可满足工程中的等效加载要求.静力学求解静力学求解是在梁上选取 个缩聚结点 将这些缩聚点的平动位移自由度约束住 求解一个静不定问题如图 所示 求解得出的各缩聚点的约束反力即为缩聚后的集中力图 静力学求解方法示意图.相比.节方法 该方法是在合力等效、合力矩等效两个方程的基础上 增加了结构变形协调关系 该方法获得的缩聚力对原分布载荷的模拟精度较高 但如果缩聚点的位置不合适 可能导致求出的缩聚集中力出现不合理的值 此外 该方法与结构的刚度分布有关 事先需要知道结构的刚度分布信息 再通过有限元法完成静不定结构的静力求解 对于非定常分布载荷的
10、实时缩聚并不合适航空兵器 年第 卷第 期基于样条插值的分布力缩聚方法.分布载荷的离散化为了数值处理的方便 不失一般性 首先应用第.节所述方法 将细长体上的连续分布式载荷()离散化到 个密集结点上 设这些密集结点的坐标形成的向量为 作用在其上的作用力形成的向量记为 即有()()当 较大(即结点密集)时 可以认为这种离散化所带来的误差是可以忽略的.分布载荷的缩聚在细长体上设置 个()缩聚点 其坐标形成的向量记为 将细长体(梁)在载荷 作用下密集点和缩聚点的位移分别记为 和 设二者有如下关系:()式中:为维数为 的转换矩阵 其元素与密集点和缩聚点的坐标 和 有关设经过载荷缩聚后 作用于缩聚点上的集中
11、力组成的向量为 为了使得 与 等效 采用以下等效原则:这两种载荷在对应结点虚位移上做的虚功相等 即 ()将式()代入式()中 有 ()比较式()的两边 得到 ()因此 载荷缩聚问题转化为如何建立起密集点与缩聚点之间的位移转换关系 一旦获得 则可利用式()求得等效缩聚后的载荷.一维梁式结构的样条插值建立密集点与缩聚点之间位移转换关系的问题实际上是一个一维插值问题 细长体结构常由沿中轴线的梁作为有限元进行建模 因而常用的一维插值方法是梁样条插值法()但是梁样条插值法需要获得已知点的位移及斜率信息 这里采用一种更加简便的方法 即采用曲面样条插值法的一维情况 该方法假定拟合插值函数为()()()式中:
12、()为引入的修正因子 一般与 的大小相当 这里取 和 为待定的系数 对于给定的 个结点 则有 ()()式中:()在该公式中 有个方程 个待定的未知数 为了确定未知数 还需补充两个方程 这里考虑力和力矩的平衡条件 补充方程为 ()()为此 构成的方程写成矩阵形式为 ()式中:()()式()可以简写为矩阵和向量的形式:()由式()求得向量 和 后 再利用式()可以求得密集点的位移及斜率:()()式中:()()()()()()式()()记为 ()()将式()代入式()()中 可以得到密集点插值位移 和插值斜率 与缩聚点位移 之间的关系:()()式中:为矩阵 删除前 列得到的矩阵 为矩阵吴志刚 等:细
13、长体分布式载荷的缩聚及其在气动伺服弹性地面模拟中的应用删除前 列得到的矩阵.缩聚点的位置优化为了评价缩聚的效果 这里给出缩聚等效的评价准则 即根据缩聚点位移 经过插值得到的密集点位移和斜率 使得如下定义的误差 最小 即 ()()()式中:表示向量范数 该误差函数同时考虑了变形及转角 并分别做了归一化处理在实际处理中 为了避免事先求解结构变形 和 可以利用试验测得的结构固有模态振型或假设模态振型()来代替 即 ()()()式中:()()()()()()若要考虑前 阶模态 则 可以写为 ()()()这里忽略各阶模态的影响权重的差异 即均取为 以上误差实际上与缩聚点坐标 有关 因此缩聚点位置优化可以
14、转化为设计变量为、目标函数为的优化问题 对于以上的优化问题 可以采用非梯度的智能优化算法来寻优 例如遗传算法 作为一种通用的问题求解方法 遗传算法采用简单的编码技术来表示各种复杂的结构 并通过对一组编码表示进行简单的遗传操作和优胜劣汰的自然选择来指导学习和确定搜索的方向载荷缩聚方法的验证本节包含算例(均匀简支梁模型)和算例(变截面悬臂梁模型)梁的模型长 沿轴向被划分为 个杆单元 包含 个节点 高度方向为 向 如图 所示 图中 均匀梁的截面为宽.、高.的矩形变截面梁的根部截面宽.、高.自由端截面宽.、高.截面尺寸线性变化 结构的阻尼比为.材料属性设置如表 所示.算例 及结果分析算例:一根 长的两
15、端简支均匀梁 受到集度为()/的均匀分布载荷作用 缩聚点数量为 均匀分布在梁上 分别采用静力等效法、静力求解法和本文提出的缩聚方法得到缩聚载荷 并将各种缩聚载荷作用在梁上产生的位移变形与原均布载荷产生的变形做比较图 梁及其所处坐标系.表 算例使用的材料属性 算例泊松比杨氏模量/密度/(/).结果分析:()原均布载荷作用将分布载荷()向密集点离散化 当密集点足够多时 可以认为离散前后的效果是相同的 密集点选择梁上的 个有限元节点 离散结果为第 和 个点的集中力为.其余点的集中力为.在等效密集点载荷作用下 通过有限元软件 得到简支梁的静变形 并以此为参照()静力等效法由.节介绍的静力等效法 计算出
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 细长 分布式 载荷 缩聚 及其 气动 伺服 弹性 地面 模拟 中的 应用
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。