超高空观测平台动力学特性分析及优化设计

论文摘要

本文研究对象为采用平流层飞艇形式的超高空观测平台,重点研究了平台的柔性特性和质量特性对平台动力学特性的影响,并对执行机构的配置位置提出了优化方案。本文的主要的研究内容分为以下几个方面:首先,提取分析用刚体动力学模型。根据已有的平台非线性模型,对非线性模型进行线性化处理。对模型进行纵向平面及侧向平面的解耦,得到纵向平面和侧向平面的控制模型,为后续分析奠定基础。接着,应用欧拉梁理论对平台柔性特性建模。从梁振动的基本方程出发,通过对振动方程的求解得到弹性变形与动力学参数之间的关系,并以纵向平面为例,进行Simulink模型仿真分析,得到在外力干扰下,柔性变形对动力学特性影响。然后,对平台质量特性进行建模。考虑由于高度变化导致平台质量及附加质量变化时,平台动力学特性可能带来的影响。对质量矩阵变化时的模型进行仿真分析,得到了质量特性对动力学特性的影响。最后,进行了执行机构配置的优化研究。分析了原有执行机构配置存在的不足,在保留尾部推进布局不变的情况下,对能够有效提高工作效率的腹部推进布局进行调整。提出了两种优化实现方案,并完成了仿真分析,说明方案的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 平流层飞艇国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究现状及存在的问题
• 1.3.1 飞艇动力学特性及推进优化研究现状
• 1.3.2 飞艇动力学特性及推进优化存在的问题
• 1.4 本文的主要研究内容及章节安排
• 第2章 坐标系及分析模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系及其变换关系
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 坐标系间变换关系
• 2.2.3 运动参数简介
• 2.3 平台受力分析
• 2.3.1 流体惯性力
• 2.3.2 空气动力
• 2.3.3 重力与浮力
• 2.3.4 发动机推力及平流层风力
• 2.4 平台动力学模型
• 2.5 动力学模型简化
• 2.6 本章小节
• 第3章 平台柔性特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 柔性分析及建模
• 3.2.1 柔性特性分析
• 3.2.2 柔性模型建立
• 3.3 柔性特性仿真与结果分析
• 3.3.1 由于常值风引起的影响仿真分析
• 3.3.2 由于发动机推力引起的影响仿真分析
• 3.4 柔性特性分析的结论
• 3.5 本章小结
• 第4章 质量特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 质量和附加质量变化的原因分析
• 4.3 质量特性仿真与结果分析
• 4.4 质量特性分析的结论
• 4.5 本章小结
• 第5章 执行机构的优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 原有执行机构分析
• 5.3 改进方案
• 5.3.1 改进方案一
• 5.3.2 改进方案二
• 5.4 执行机构优化的结论
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢