留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

含间隙非线性二元翼段的系统辨识

孙玉凯 杨超 吴志刚

孙玉凯, 杨超, 吴志刚等 . 含间隙非线性二元翼段的系统辨识[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(1): 140-149. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0655
引用本文: 孙玉凯, 杨超, 吴志刚等 . 含间隙非线性二元翼段的系统辨识[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(1): 140-149. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0655
SUN Yukai, YANG Chao, WU Zhiganget al. System identification of a 2-DOF wing section with freeplay nonlinearity[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(1): 140-149. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0655(in Chinese)
Citation: SUN Yukai, YANG Chao, WU Zhiganget al. System identification of a 2-DOF wing section with freeplay nonlinearity[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(1): 140-149. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0655(in Chinese)

含间隙非线性二元翼段的系统辨识

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0655
详细信息
    作者简介:

    孙玉凯  男, 博士研究生。主要研究方向:气动弹性力学与主动控制

    杨超  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:气动弹性力学与主动控制

    吴志刚  男, 博士, 副教授, 博士生导师。主要研究方向:气动弹性力学与主动控制

    通讯作者:

    吴志刚  E-mail: wuzhigang@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V215.3

System identification of a 2-DOF wing section with freeplay nonlinearity

  • 摘要:

    在实际包含间隙非线性的复杂结构中,由于间隙不易或无法测量,难以建立准确描述结构特性的动力学模型;即使间隙得到准确测量,也难以获得结构的标称线性系统的模态参数。为此,利用条件逆谱法和时域非线性子空间法,通过非线性系统辨识获得间隙非线性系数,同时获得非线性结构的标称线性系统的频响函数。以一个包含间隙非线性的二元翼段为例,通过数值方法模拟该二元翼段的地面振动试验,利用条件逆谱法和时域非线性子空间法开展该结构的非线性系统辨识。结果表明:两种方法均可准确地辨识结构的标称线性系统,条件逆谱法利用光滑函数近似,时域非线性子空间法利用多个分段线性函数重构,辨识得到间隙非线性系数。

     

  • 图 1  条件逆谱法系统示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of system for CRP method

    图 2  非线性项Y2的分解

    Figure 2.  Decomposition of nonlinear function Y2

    图 3  位移响应信号分解

    Figure 3.  Decomposition of displacement response signal

    图 4  激励信号分解

    Figure 4.  Decomposition of excitation signal

    图 5  非线性振动系统的反馈表示

    Figure 5.  Feedback interpretation of nonlinear vibration systems

    图 6  二自由度二元翼段模型

    Figure 6.  2-DOF wing section model

    图 7  间隙非线性的恢复力曲线

    Figure 7.  Restoring force of freeplay nonlinearity

    图 8  随激励水平变化的频响函数

    Figure 8.  Variation of FRF with excitation level

    图 9  低激励水平与高激励水平的频响函数曲线对比

    Figure 9.  Comparison of FRFs under low excitation level and high excitation level

    图 10  条件逆谱法辨识得到的OLS频响函数曲线

    Figure 10.  FRF of OLS identified by CRP method

    图 11  俯仰自由度的累积相干函数

    Figure 11.  Cumulative coherence function of pitch DOF

    图 12  条件逆谱法辨识的非线性系数

    Figure 12.  Nonlinear coefficient identified by CRP method

    图 13  条件逆谱法辨识的非线性恢复力曲线

    Figure 13.  Nonlinear restoring force identified by CRP method

    图 14  区间[0, max(α)]内的非线性系数分布

    Figure 14.  Nonlinear parameter distribution in the interval [0, max(α)]

    图 15  区间[0.008, 0.012]rad内的非线性系数分布

    Figure 15.  Nonlinear parameter distribution in the interval [0.008, 0.012]rad

    图 16  辨识得到的非线性二元翼段ULS的频响函数曲线

    Figure 16.  Identified FRF of ULS of nonlinear 2-DOF wing section

    图 17  时域非线性子空间法辨识的非线性恢复力曲线

    Figure 17.  Nonlinear restoring force identified by TNSI method

    图 18  辨识得到的非线性二元翼段OLS的频响函数曲线

    Figure 18.  Identified FRF of OLS of nonlinear 2-DOF wing section

    图 19  辨识得到的OLS频响函数曲线稳态图

    Figure 19.  Stabilization diagram of identified FRF of OLS

    表  1  二元翼段结构基本参数

    Table  1.   Main structural parameters of 2-DOF wing section

    参数 数值
    半弦长b/m 0.1
    刚心与中心相对距离a -0.2
    质量m/kg 2.9
    重心与刚心距离xa/m 0.01
    静矩Sα/(kg·m) 0.029
    转动惯量Iα/(kg·m2) 0.024
    下载: 导出CSV

    表  2  激励水平与对应的随机力RMS值

    Table  2.   Excitation levels and corresponding RMS value of random excitation force

    激励水平 随机力RMS/N
    1 0.004 8
    2 0.011 8
    3 0.022 6
    4 0.048 6
    5 0.069 0
    6 0.114 4
    7 0.182 5
    8 0.230 8
    9 0.486 0
    10 0.729 6
    11 1.100 0
    12 1.997 4
    13 2.215 9
    14 2.767 9
    15 3.722 0
    16 4.970 4
    17 7.373 1
    18 11.610 5
    19 25.501 0
    下载: 导出CSV

    表  3  不同激励水平下辨识的非线性系数

    Table  3.   Identified nonlinear coefficient under different excitation levels

    随机力RMS/(N·m) 非线性系数
    0.048 6 -0.250 8
    0.069 0 -0.253 8
    0.230 8 -0.250 5
    0.486 0 -0.244 0
    下载: 导出CSV

    表  4  条件逆谱法和时域非线性子空间法属性对比

    Table  4.   Property comparison between CRP and TNSI

    属性 条件逆谱法 时域非线性子空间法
    频域 时域
    多自由度
    多种非线性
    迭代计算
    数据 稳态数据 任意数据
    数据前处理 离散傅里叶变换
    间隙描述 函数近似 多间隙重构
    稳态图
    计算量 中等
    ULS辨识精度
    OLS辨识精度
    间隙辨识精度 间隙边界:一般
    刚度辨识:高
    间隙边界:高
    刚度辨识:高
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨宁.间隙非线性结构的气动弹性建模与分析方法研究[D].北京: 北京航空航天大学, 2014: 1-2.

    YANG N.Studies on aeroelastic modeling and analysis methods of structures with freeplay nonlinearity[D].Beijing: Beihang University, 2014: 1-2(in Chinese).
    [2] DOWELL E H, EDWARDS J, STRGANAC T W.Nonlinear aeroelasticity[J].Journal of Aircraft, 2003, 40(5):857-874. doi: 10.2514/2.6876
    [3] SHETA F, HARRAND V J, THOMPSON D E, et al.Computation and experimental investigation of limit cycle oscillations of nonlinear aeroelastic systems[J].Journal of Aircraft, 2002, 39(1):133-141. doi: 10.2514/2.2907
    [4] BAE J S, YANG S M, LEE I.Linear and nonlinear aeroelastic analysis of fighter-type wing with control surface[J].Journal of Aircraft, 2002, 39(4):697-708. doi: 10.2514/2.2984
    [5] 李志涛, 韩景龙.间隙非线性气动弹性系统的辨识[J].航空学报, 2012, 33(11):2002-2009. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HKXB201211008.htm

    LI Z T, HAN J L.Identification of a nonlinear aeroelastic system with freeplay[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2012, 33(11):2002-2009(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HKXB201211008.htm
    [6] KERSCHEN G, WORDEN K, VAKAKIS A F, et al.Past, present and future of nonlinear system identification in structural dynamics[J].Mechanical Systems and Signal Processing, 2006, 20(3):505-592. doi: 10.1016/j.ymssp.2005.04.008
    [7] KUKREJA S L, BRENNER M.Nonlinear black-box modeling of aeroelastic systems using structure detection:Application to F/A-18 data[J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2007, 30(2):557-564. doi: 10.2514/1.20835
    [8] POPESCU C A, WONG S Y, LEE B H K.An expert system for predicting nonlinear aeroelastic behavior of an airfoil[J].Journal of Sound and Vibration, 2009, 319(5):1312-1329. doi: 10.1016/j.jsv.2008.06.035
    [9] WU Z G, YANG N, YANG C.Identification of nonlinear multi-degree-of freedom structures based on Hilbert transformation[J].Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2014, 57(9):1725-1736. doi: 10.1007/s11433-013-5218-y
    [10] WU Z G, YANG N, YANG C.Identification of nonlinear structures by the conditioned reverse path method[J].Journal of Aircraft, 2015, 52(2):373-386. doi: 10.2514/1.C032424
    [11] CRAWLEY E F, AUBERT A C.Identification of nonlinear structural elements by force-state mapping[J].AIAA Journal, 1986, 24(1):155-162. doi: 10.2514/3.9236
    [12] RICHARDS C M, SINGH R.Identification of multi-degree-of-freedom non-linear systems under random excitations by the "reverse path" spectral method[J].Journal of Sound and Vibration, 1998, 213(4):673-708. doi: 10.1006/jsvi.1998.1522
    [13] RICE H J, FITZPATRICK J A.A procedure for the identification of linear and non-linear multi-degree-of-freedom systems[J].Journal of Sound and Vibration, 1991, 149(3):397-411. doi: 10.1016/0022-460X(91)90444-O
    [14] RICHARDS C M, SINGH R.Feasibility of identifying non-linear vibratory systems consisting of unknown polynomial forms[J].Journal of Sound and Vibration, 1999, 220(3):413-450. doi: 10.1006/jsvi.1998.1918
    [15] MARCHESIELLO S, GARIBALDI L.Subspace-based identification of nonlinear structures[J].Shock and Vibration, 2008, 15(3-4):345-354. doi: 10.1155/2008/873183
    [16] MARCHESIELLO S, GARIBALDI L.A time domain approach for identifying nonlinear vibrating structures by subspace methods[J].Mechanical Systems and Signal Processing, 2008, 22(1):81-101. doi: 10.1016/j.ymssp.2007.04.002
    [17] LEE B H K, PRICE S J, WONG Y S.Nonlinear aeroelastic analysis of airfoils:Bifurcation and chaos[J].Progress in Aerospace Sciences, 1999, 35(3):205-334. doi: 10.1016/S0376-0421(98)00015-3
    [18] 陈衍茂, 刘济科, 孟光.二元机翼非线性颤振系统的若干分析方法[J].振动与冲击, 2011, 30(3):129-134. doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2011.03.026

    CHEN Y M, LIU J K, MENG G.Some analysis methods for nonlinear flutter of a two-dimensional airfoil:A review[J].Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(3):129-134(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2011.03.026
    [19] 杨智春, 田玮, 谷迎松, 等.带线性的机翼气动弹性问题研究进展[J].航空学报, 2016, 37(7):2013-2044. doi: 10.7527/S1000-6893.2016.0140

    YANG Z C, TIAN W, GU Y S, et al.Advance in the study on wing aeroelasticity with concentrated nonlinearity[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(7):2013-2044(in Chinese). doi: 10.7527/S1000-6893.2016.0140
    [20] 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, 2016:76-79.

    YANG C.Principal of aircraft aeroelasticity[M].2nd ed.Beijing:Beihang University Press, 2016:76-79(in Chinese).
    [21] DIMITRIADIS G.Introduction to nonlinear aeroelasticity[M].Chichester:John Wiley & Sons, Inc., 2017:264-269.
    [22] PEETERS B, AUWERAER H V D, GUILLAUME P.The PolyMAX frequency domain method:A new standard for modal parameter estimation[J].Shock and Vibration, 2004, 11:395-409. doi: 10.1155/2004/523692
  • 加载中
图(19) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  496
  • HTML全文浏览量:  64
  • PDF下载量:  68
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-31
  • 录用日期:  2021-03-06
  • 网络出版日期:  2021-01-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答