免费论文：气动弹性不确定性定量分析理论与应用研究

气动弹性分析和设计贯穿于飞机设计和生产过程中的各个阶段，然而，无论理论模型还是计算方法都存在一定的不确定性，这些不确定性严重时甚至无法保证实际飞机对象的气动弹性稳定性。因此，有必要开展气动弹性不确定性分析的研究，定量分析各种不确定性因素对飞机气动弹性稳定性的影响。本文针对现代飞机设计中的气动弹性不确定性问题，探讨气动弹性不确定性定量分析理论、不确定性建模、不确定度估计及应用等问题，建立气动弹性不确定性分析的方法。本文主要包括以下内容：(1) 发展了适合气动弹性系统不确定性定量分析的方法。针对非随机型的不确定性，将结构奇异值(structured singular value, 简称μ)方法应用到气动弹性稳定性分析中，提出了一种实参数摄动下标准μ的计算方法，发展了欧几里德范数约束下的球μ计算方法。基于标准μ方法，分析了气动伺服弹性系统的鲁棒稳定裕度。针对随机型的不确定性，建立了概率鲁棒气动弹性稳定性分析方法。为气动弹性系统的不确定性建模、不确定性水平确认以及稳定性分析和综合设计提供理论基础。(2) 建立了频域气动力的不确定性模型，采用不同方法估计气动力不确定度，并进行试验验证。以偶极子格网法计算的气动力为依据，发展了三个层次的不确定性模型，即：气动力影响系数的不确定性模型、模态运动引起的非定常压力系数的不确定性模型、广义气动力影响系数的不确定性模型。其中，压力系数不确定性建模方法具有直观物理意义，适合多数气动弹性不确定性定量分析的问题。在不确定性建模的基础上，发展了不确定性水平确认的三种方法，即：直接不确定度估计方法、基于模型有效性确认的方法和基于不确定性模型集合辨识的方法。由计算流体力学方法计算准确气动力，采用直接不确定度估计的方法得到压力系数的不确定度。同时采用频域和时域模型有效性确认方法估计压力系数不确定度。频域模型有效性确认方法的准则为：不确定性模型集合的频响包含试验频响，时域模型有效性确认的准则为：不确定性模型集合的极点包含在线气动弹性极点，在这些准则的基础上，根据风洞试验的频率响应或时域响应信号，采用μ方法估计参数不确定性水平。风洞试验结果表明，基于时域响应有效性确认的方法无需测量输入数据，对试验数据要求较低，适用性较好。(3) 辨识非线性气动弹性系统的不确定度，并开展鲁棒极限环分析的研究。采用模型集合辨识的方法，分别在时域和频域逆向辨识包含不确定性的非线性气动弹性系统的不确定度。时域方法的辨识准则为：模型集合的输出包含试验输出数据，频域方法的辨识准则为：模型集合的频响包含试验频响。它们完全基于数据，采用优化方法得到数学模型集合的上下界参数。在辨识的不确定性模型集合的基础上，发展了鲁棒极限环的分析方法。(4) 开展考虑不确定性的气动伺服弹性系统设计。首先针对随机型的不确定性，发展了兼顾气动弹性失稳风险和阵风减缓性能的概率鲁棒控制律设计方法。在不确定度较大时，这种设计方法折中鲁棒性和风险性，以提高阵风减缓性能。在控制律设计的基础上，结合鲁棒结构设计方法和μ综合方法，考虑结构和传动比的不确定性，发展了鲁棒结构和控制律综合设计方法，使得设计的飞机不仅能够抵抗设计参数的摄动变化，满足静气动弹性的鲁棒性设计要求，而且能够达到闭环鲁棒稳定性、动态机动性能和机动载荷减缓要求。本文开展的不确定性定量分析理论适用于飞行器气动弹性分析和设计，定量分析各种模型参数不确定性对气动弹性稳定性和性能的影响，对全面分析飞行器气动弹性稳定性并指导设计提供理论工具。

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