双关节折叠翼刚柔耦合系统动力学与气动弹性稳定性研究

双关节折叠翼刚柔耦合系统动力学与气动弹性稳定性研究

为了满足战术导弹寻求小型化的发射装置,便于贮存、运输和发射的要求,采用箱(筒)式发射技术发射导弹已然成为一种趋势,节省了弹药的贮运空间,提高了武器系统的综合作战能力。采用箱(筒)式发射的导弹弹翼发射前折叠,发射后基于某要求于一定时间内快速打开,故将其定义为折叠翼。折叠翼展开性能参数作为其设计的关键因素,折叠翼的展开运动环节是确保弹箭能否实现飞行控制的重要指标。目前公开的资料显示关于导弹折叠翼面成功展开的案例大多数为一次折叠,很少有二次或者多次折叠,而当翼面展长较大时,则必须进行多次折叠才能够满足导弹的发射需求。由于折叠翼的旋转展开运动正好符合作大范围运动的结构动力学行为,在复杂的环境力与时变的结构联合作用下,使得其结构动力学特性和气动特性均存在显著变化,导致双关节(两次)折叠翼的气动弹性问题比一次折叠翼或固定翼更为复杂,因此对双关节折叠翼气动弹性问题的研究不仅具有重要学术意义,而且还有一定的工程实用价值。在国内外导弹结构技术领域中,很少有文献研究双关节折叠翼刚柔耦合动力学建模过程,所以本文力图从基于作大范围运动的模型刚柔耦合动力学建模理论出发,引申到折叠翼做定轴旋转展开动作上,用以计算折叠翼张开过程中的动力学响应问题,将多体动力学模型与气动力模型相结合,并基于二者之间的耦合关系建立折叠翼系统的气动弹性方程,最终探讨折叠翼展开过程中时变系统对其气动弹性特性的影响。因此,本课题采用理论分析、数值仿真与实验研究相结合的方法,对折叠翼的运动特性及气动特性展开了研究,研究成果可为模型结构总体设计、弹体气动弹性特性分析以及稳定性分析提供参考。论文主要完成的工作及成果如下:(1)提出了一种简单的两轴两段式纵向折叠翼结构模型,采用混合坐标建模的方法对其结构单元上任意一点的位形进行描述,用伸长变量和笛卡尔坐标表示其位移场,结合弹性变形的运动状态,推导出单元的位移函数;将翼片离散为多个子结构,并通过C-B法建立基于模态坐标的子结构动力学模型,再将子结构分支模态进行正交化处理,删除其重复的六个刚体运动模态,得到无阻尼子结构的动力学方程,最后将多刚体结构与多柔体结构耦合一起,建立折叠翼系统的刚柔耦合多体动力学模型。(2)以双关节折叠翼多体时变系统为研究对象,通过对其作大范围刚体运动与结构柔性变形之间的惯性耦合进行数值仿真,验证了本课题提出的建模理论能够很好的应用于折叠翼系统刚柔耦合动力学分析,保证了模型具有良好的单元收敛性,避免出现零次近似模型分析结果发散的问题,表明本课题建模理论具有适用性,能够为复杂折叠翼系统刚柔耦合动力学程式化研究奠定一定的基础。(3)提出了一种气动力降阶建模方法,采用偶极子格网法与遗传优化算法相结合的方式建立折叠翼系统结构的时域气动力模型,并根据Kriging代理模型技术计算出时变系统中的时域气动力代理模型,将多体动力学模型与气动力代理模型耦合求解,建立展开过程中双关节折叠翼的气动弹性模型,对翼面分别受到刚体系统和刚柔耦合系统两种情况所引起的非定常气动力作用进行气动弹性稳定性分析,分析结果表明失稳是由多柔体系统动力学方程中的某些速度二次项所引起的。(4)根据折叠翼同步展开规律,推导出质心位移方程式,并分析了质心位置改变对其气动性能的影响,研究结果可为折叠翼结构设计及其运动几何参数提供一定的理论支撑。

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