申请/专利权人：北京航空航天大学

申请日：2021-10-19

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN113868771B

主分类号：G06F30/15

分类号：G06F30/15;G06F30/23;G06F111/10;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2022.01.21#实质审查的生效;2021.12.31#公开

摘要：本发明公开了一种考虑结构和气动非线性的飞行动力学建模方法，将无人机结构三维梁问题解耦为非线性梁运动分析和梁截面变形分析，建立无人机非线性结构模型；基于气动降阶模型建立无人机非线性气动模型，通过结构模型与气动力模型的耦合，建立无人机非线性气动弹性模型，将重力载荷和气动力载荷的贡献项以及边界条件项，代入到结构半离散化方程，得到柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合模型，基于Newton‑Raphson方法求解系统方程的静平衡解，采用Generalized‑α算法求解非线性时域响应。

主权项：1.一种考虑结构和气动非线性的飞行动力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将无人机结构三维梁问题解耦为非线性梁运动分析和梁截面变形分析，建立无人机非线性结构模型；步骤2、基于气动降阶模型建立无人机非线性气动模型；步骤3、通过无人机非线性结构模型与无人机非线性气动模型的耦合，建立无人机气动弹性模型；步骤4、将重力载荷和气动力载荷的贡献项以及边界条件项，代入到无人机非线性气动弹性模型，得到柔性飞机气动弹性与飞行动力学耦合模型；步骤5、基于Newton-Raphson方法求解柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合模型的静平衡解，采用Generalized-α算法求解非线性时域响应；步骤1中，考虑剪切变形和翘曲变形，基于有限元离散，构建表征剖面特性的刚度矩阵，建立二维梁剖面模型；通过非连续协调方程表征节点质量不连续因素，结合二维梁剖面模型和几何精确本征梁理论建立非线性梁结构模型，从而建立无人机非线性结构模型；步骤2中，建立结构实体模型，对该结构模型进行模态分析；得到各阶模态向量和结构节点坐标；基于结构节点坐标和对应的模态向量通过差值得到气动节点坐标对应的各阶模态位移向量，从而用于非定常气动力的节点位移输入；建立结构几何外形以及外部流场几何形状，将该几何形状导入流体网格绘制软件中绘制气动网格，导入计算流体力学软件中计算，设置压力远场条件；机翼表面设置为无滑动静态壁面条件，网格在翼型附近被细化；采用动态网格结合用户自定义函数接口编程，采用弹簧方法进行网格重构实现机翼的模态位移连续变形；在数值计算中，采用双精度求解器进行数值模拟，采用Spalart-Allmaras湍流模型；采用广义位移输入，计算广义气动力，建立二者的非线性关系，最终得到无人机非线性气动模型；步骤3中，将重力载荷贡献项、气动力载荷贡献项，边界条件项，以及连续条件项代入梁结构离散化方程中，最终得到梁结构的无人机气动弹性模型： 其中下标stru,aero,grav分别表示结构、气动、重力，M、q、f表示刚度矩阵、状态变量、载荷；其中Mstru,aero表示气动载荷对结构状态方程中一阶变量的影响项，可由气动力方程中推导得出，Maero,stru表示结构运动对气动状态方程中一阶变量的影响项，可由气动和结构耦合方程中推导得出；步骤4中，考虑气动弹性与飞行力学的耦合效应，在参考原点引入集中质量，引入刚体质点运动方程： 其中Mrigid和Irigid为刚体质点的质量矩阵和转动惯量矩阵，Vrigid和Ωrigid为其运动的线速度和角速度，frigid和mrigid为作用在其上的力和力矩；步骤5中，耦合柔性梁的柔性飞机气动弹性与飞行动力学耦合模型，将其简单表示为： 式中，q为由结构状态和气动状态变量组成的未知列向量，矩阵Mcoup和列向量fcoup均为未知向量q的函数；系统方程的静平衡解q0，通过Newton-Raphson迭代算法求解非线性代数方程组；fcoupq0＝0获得。

全文数据：

权利要求：

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