具有不确定性的飞机气动弹性系统模型确认研究

论文摘要

鲁棒颤振分析是近几年逐步发展起来的新的颤振分析技术,并已成功应用于飞机颤振飞行试验中。鲁棒颤振边界是否正确,关键依赖于气动弹性系统的不确定性建模与确认。本文在对模型确认和鲁棒颤振分析基本理论进行研究的基础上,对气动弹性系统的不确定性建模和模型确认方法进行了较为深入的研究,并对多个具有不确定性的仿真系统成功进行了鲁棒颤振分析。本文首先研究了模型确认的矩阵插值理论,将基于Nevanlinna-Pick矩阵插值定理的模型确认方法应用于气动弹性系统的不确定性模型确认。在此基础上给出了模型确认的框架与辨识原理。其中,根据满复数块不确定性和重复标量块不确定性两种结构形式,详细推导了模型确认的具体过程。依据气动弹性系统的特点,考虑其结构和非定常气动力的不确定性,采用物理意义明确、形式更为简洁的块对角结构不确定性进行分析。针对不确定性的两种结构形式,得出其有效模型存在的充要条件。对有效模型集进行参数化后,将不确定性幅值最小的模型集的求解归结为最优化问题,从而成功给出了一种气动弹性系统的新的模型确认方法。模型确认过程中,考虑实际存在的外扰和噪声的影响,将模型误差归结为噪声、外扰和不确定性的共同作用,有效地降低了结果的保守性。通过对不确定性幅值比例关系分配的研究,文中还探讨了进一步降低预测结果保守性的方法。最后,对二元翼段、直机翼以及带外挂物的飞机有限元模型进行了不确定性建模和模型确认。直机翼气动力部分按照参数形式和未建模动力学两种形式分别进行讨论。在带外挂物的飞机模型中,将外挂/机身细长体对机翼气动力的干涉影响按照未建模形式进行分析。依据模型确认的结果,应用μ分析方法分别预测了上述模型的鲁棒颤振边界。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状与进展
• 1.3 论文主要研究内容及安排
• 第二章 模型确认与鲁棒颤振分析基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 模型确认方法的矩阵插值理论基础
• 2.3 不确定性的描述与鲁棒稳定性理论
• 2.3.1 信号空间与范数
• 2.3.2 小增益定理与鲁棒稳定性
• 2.4 气动弹性系统的状态空间分析法
• 2.4.1 非定常气动力的有理函数拟合
• 2.4.2 气动弹性系统的状态空间方程
• 2.5 本章小结
• 第三章 模型确认原理与框架
• 3.1 引言
• 3.2 模型确认框架
• 3.3 模型确认基本条件
• 3.3.1 模型确认的充要条件
• 3.3.2 外扰传递函数的预先确定
• 3.4 有效模型集的参数化
• 3.4.1 常数矩阵检验
• 3.4.2 满复数块不确定性
• 3.4.3 重复标量块不确定性
• 3.5 不确定性边界的权衡
• 3.5.1 满复数块不确定性
• 3.5.2 重复标量块不确定性
• 3.6 本章小结
• 第四章 不确定性气动弹性系统的模型确认与鲁棒颤振分析
• 4.1 引言
• 4.2 二元翼段的模型确认与鲁棒颤振分析
• 4.2.1 系统的动力学方程
• 4.2.2 二元翼段的不确定性建模
• 4.3 直机翼气动弹性系统的模型确认与鲁棒颤振分析
• 4.3.1 系统的动力学方程
• 4.3.2 结构不确定性建模
• 4.3.3 气动力的不确定性建模
• 4.4 带外挂飞机气动弹性系统的模型确认与鲁棒颤振分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 模型确认仿真算例
• 5.1 二元翼段
• 5.2 直机翼
• 5.3 带外挂飞机
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文