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基于状态空间涡格法的阵风减缓分析

杨澜 安朝 谢长川 杨超

杨澜, 安朝, 谢长川, 等 . 基于状态空间涡格法的阵风减缓分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(7): 1200-1209. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0023
引用本文: 杨澜, 安朝, 谢长川, 等 . 基于状态空间涡格法的阵风减缓分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(7): 1200-1209. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0023
YANG Lan, AN Chao, XIE Changchuan, et al. Gust load alleviation analysis based on vortex lattice method in state-space form[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(7): 1200-1209. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0023(in Chinese)
Citation: YANG Lan, AN Chao, XIE Changchuan, et al. Gust load alleviation analysis based on vortex lattice method in state-space form[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(7): 1200-1209. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0023(in Chinese)

基于状态空间涡格法的阵风减缓分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0023
详细信息
    通讯作者:

    安朝, E-mail: ac@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V215.3

Gust load alleviation analysis based on vortex lattice method in state-space form

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  • 摘要:

    阵风响应计算及阵风减缓控制系统设计是飞行器气动弹性分析中的重要内容。基于状态空间涡格法(VLM)建立飞行器阵风气动力模型,给出有限元结构模态及控制面模态广义自由度与涡格法控制点边界条件的插值关系,建立适用于复杂模型的阵风响应分析方法,弥补了传统阵风响应分析方法需要进行有理函数拟合或迭代计算资源消耗大等不足。在此基础上,基于经典PID控制方法设计阵风减缓控制系统,仿真得到离散阵风及von Karman连续阵风激励下的系统开/闭环时域响应情况,对比响应幅值计算减缓率。仿真计算结果表明:根据所提方法建立的阵风响应分析方法准确,阵风减缓控制系统能有效降低原气动弹性系统的阵风响应。

     

  • 图 1  涡格法涡环示意图

    Figure 1.  Illustration of vortex ring in VLM

    图 2  离散阵风风场剖面示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of discrete gust filed

    图 3  阵风减缓控制方案

    Figure 3.  Gust alleviation control scheme

    图 4  柔性机翼CAD模型

    Figure 4.  CAD model of flexible wing

    图 5  柔性机翼有限元模型

    Figure 5.  Finite element model of flexible wing

    图 6  柔性机翼气动面模型

    Figure 6.  Aerodynamics model of flexible wing

    图 7  不同风速下位移时域响应

    Figure 7.  Displacement response with different velocities

    图 8  ZAERO颤振分析结果

    Figure 8.  Flutter analysis results from ZAERO

    图 9  风速32 m/s下加速度时域响应

    Figure 9.  Acceleration response in time domain (V=32 m/s)

    图 10  风速32 m/s下位移时域响应

    Figure 10.  Displacement response in time domain (V=32 m/s)

    图 11  风速28 m/s下加速度时域响应

    Figure 11.  Acceleration response in time domain (V=28 m/s)

    图 12  风速28 m/s下位移时域响应

    Figure 12.  Displacement response in time domain (V=28 m/s)

    图 13  PID控制参数

    Figure 13.  PID controller parameters

    图 14  风速32 m/s下开/闭环时域加速度响应

    Figure 14.  Open/close loop acceleration response (V=32 m/s)

    图 15  风速32 m/s下开/闭环时域位移响应

    Figure 15.  Open/close loop displacement response (V=32 m/s)

    图 16  风速28 m/s下开/闭环时域加速度响应

    Figure 16.  Open/close loop acceleration response (V=28 m/s)

    图 17  风速28 m/s下开/闭环时域位移响应

    Figure 17.  Open/close loop displacement response (V=28 m/s)

    图 18  连续阵风时域加速度响应

    Figure 18.  Acceleration response with continuum gust

    图 19  连续阵风时域位移响应

    Figure 19.  Displacement response with continuum gust

    表  1  柔性机翼设计参数

    Table  1.   Design parameters of the wing model

    参数 数值
    质量/kg 2.819 9
    半展长/m 1.542
    翼根弦长/m 0.261
    翼梢弦长/m 0.069
    扭转角/(°) -2.0
    展弦比 9.3
    翼型 超临界翼型
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    表  2  柔性机翼模型主要模态信息

    Table  2.   Modes analysis results of the wing model

    模态阶数 模态频率/Hz 模态特征
    1 3.35 垂直一弯
    2 5.18 水平一弯
    3 10.05 垂直二弯
    4 17.17 水平二弯
    5 25.68 垂直三弯
    6 33.05 一阶扭转
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    表  3  风速32 m/s下计算结果对比

    Table  3.   Results contrast with 32 m/s velocity

    方法 位移响应/mm 加速度响应/(m·s-2)
    状态空间涡格法 20.45 9.80
    ZAERO 19.37 9.59
    偏差/% 5.6 2.2
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    表  4  风速28 m/s下计算结果对比

    Table  4.   Results contrast with 28 m/s velocity

    方法 位移响应/mm 加速度响应/(m·s-2)
    状态空间涡格法 19.18 9.43
    ZAERO 18.32 9.14
    偏差/% 4.7 3.2
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨超. 飞行器气动弹性原理[M]. 2版. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2016.

    YANG C. Aeroelastic theory of aircraft[M]. 2nd ed. Beijing: Beihang University Press, 2016(in Chinese).
    [2] 金长江, 肖业伦. 大气扰动中的飞行原理[M]. 北京: 国防工业出社, 1992.

    JIN C J, XIAO Y L. Flight principle with atmosphere turbulence[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 1992(in Chinese).
    [3] SU W H, CESNIK C E S. Dynamic response of highly flexible flying wing[J]. AIAA Journal, 2011, 49(2): 324-339. doi: 10.2514/1.J050496
    [4] AN C, YANG C, XIE C C, et al. Flutter and gust response analysis of a wing model including geometric nonlinearities based on a modified structural ROM[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2020, 33(1): 48-63. doi: 10.1016/j.cja.2019.07.006
    [5] NOTT T E, BROWN J M, PEREZ-DAVIS M E, et al. Investigation of the helios prototype aircraft mishap: HQ 04-283[R]. Hampton: NASA Langley Research Center, 2004.
    [6] KARA J, PLOTKIN A. Low-speed aerodynamics: From wing theory to panel method[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2001.
    [7] AZOULAY D, KARPEL M. Characterization of method for computation of aeroservoelastic response to gust excitation: AIAA-2006-1938[R]. Reston: AIAA, 2006.
    [8] KARPEL M, MOULIN B, CHEN P C. Dynamic response of aeroservoelastic systems to gust excitation[J]. Journal of Aircraft, 2005, 42(5): 1264-1272. doi: 10.2514/1.6678
    [9] 陈磊, 吴志刚, 杨超, 等. 多控制面机翼阵风减缓主动控制与风洞试验验证[J]. 航空学报, 2009, 30(12): 2250-2256. doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.2009.12.002

    CHEN L, WU Z G, YANG C, et al. Active control and wind tunnel test vertification of multi-control surfaces wing for gust alleviation[J]. Acta Aeronautic et Astronautica Sinica, 2009, 30(12): 2250-2256(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.2009.12.002
    [10] WANG Z, CHEN P C, LIU D D, et al. Nonlinear-aerodynamics/nonlinear-structure interaction methodology for a high-altitude long-endurance wing[J]. Journal of Aircraft, 2010, 47(2): 556-566. doi: 10.2514/1.45694
    [11] SU W H, CESNIK C E S. Dynamic response of highly flexible flying wings[C]//Proceeding of the 47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference. Reston: AIAA, 2006: 412-435.
    [12] LIU Y, XIE C C, YANG C, et al. Gust response analysis and wind tunnel test for a high-aspect ratio wing[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2016, 29(1): 91-103. doi: 10.1016/j.cja.2015.12.013
    [13] GUO D, XU M, CHEN S L. Nonlinear gust response analysis of free flexible aircraft[J]. International Journal of Intelligent System Application (IJISA), 2013, 5(2): 1-15. doi: 10.5815/ijisa.2013.02.01
    [14] WERTER N P M, DE BREUKER R. A novel dynamic aeroelastic framework for aeroelastic tailoring and structural optimisation[J]. Composite Structures, 2016, 158: 369-386. doi: 10.1016/j.compstruct.2016.09.044
    [15] WERTER N P M, DE BREUKER R, ABDALLA M M. Continuous-time state-space unsteady aerodynamic modeling for efficient loads analysis[J]. AIAA Journal, 2018, 56(3): 905-916. doi: 10.2514/1.J056068
    [16] WU Z G, CHEN L, YANG C, et al. Gust response modeling and alleviation scheme design for an elastic aircraft[J]. Science China Technological Sciences, 2010, 53(11): 3110-3118. doi: 10.1007/s11431-010-4141-y
    [17] 聂雪媛, 杨国伟. 基于CFD降阶模型的阵风减缓主动控制研究[J]. 航空学报, 2015, 36(4): 1103-1111. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201504008.htm

    NIE X Y, YANG G W. Gust alleviation active control based on CFD reduced-order models[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(4): 1103-1111(in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201504008.htm
    [18] LIU X, SUN Q, COOPER J E. LQG based model predictive control for gust load alleviation[J]. Aerospace Science and Technology, 2017, 71: 499-509.
    [19] YAGIL L, RAVEH D E, IDAN M. Deformation control of highly flexible aircraft in trimmed flight and gust encounter[J]. Journal of Aircraft, 2018, 55(2): 829-840.
    [20] DAY Y T, YANG C, WANG C L. Strategy for rubust gust response alleviation of an aircraft mode[J]. Control Engineering Practice, 2017, 60(3): 211-217.
    [21] 谢长川. 飞行器气动弹性稳定性静/动耦合理论与试验研究[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2011.

    XIE C C. Static/dynamics coupling theory and test study of aircraft aeroelastic stability[D]. Beijing: Beihang University, 2011(in Chinese).
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-15
  • 录用日期:  2021-03-19
  • 刊出日期:  2021-04-27

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