现代飞机上普遍装备了先进的飞行控制系统,采用电传伺服操纵,取代了最初的机械式人力操纵。这在传统的飞机气动弹性系统中又增加了伺服控制环节,即在气动力、弹性力和惯性力耦合的基础上又加入了伺服控制力耦合,从而产生了气动伺服弹性力学,飞行器设计也开始向气动、结构/控制一体化方向发展。 在实际工程中,结构非线性往往成为一个不得不考虑的因素,研究这类因素对飞机气动伺服弹性特性的影响就显得尤为重要。而非线性气动弹性研究最直接的方法就是时域仿真,即首先求得时域气动力,建立气动伺服弹性系统的时域运动方程,在状态空间中对系统的非线性特性加以考察。这种方法最大的优点就是可以直接与控制系统耦合,进而对闭环系统的稳定性特性进行研究。 本文的研究范围是亚音速、无粘、不可压流,在获取时域非定常气动力时采用降阶的连续时间非定常涡方法。首先对二元非定常涡理论作简要介绍和总结,然后将非定常涡控制方程与二元机翼动力学方程耦合得到了状态空间形式的气动弹性方程,进行了线性颤振分析,并与经典V—g法分析结果进行了对比。 在结构非线性方面,考虑了一种“中心间隙一干摩擦型”,即迟滞非线性模型,并建立了数学表达式。在此基础上建立了具有这类非线性环节的二元机翼气动弹性方程,进行了非线性颤振分析,并与时域Roger拟合方法以及频域等效线化方法的结果作对比。最后比较了结构上迟滞非线性特性与中心间隙非线性特性对二元机翼气动弹性系统的颤振特性的影响。 随后,针对二元机翼进行了气动伺服弹性研究,主要集中在反馈控制以及延迟反馈控制对气动弹性稳定性的影响。即利用二元机翼的沉浮、俯仰运动的位移、速度信号作为反馈控制信号,对主动气动弹性系统进行原理性研究。首先利用频域传递函数模型,针对延迟量、反馈增益等参数,对线性气动伺服弹性系统的颤振稳定性特性进行分析,然后利用非定常涡方法,建立含有延迟反馈控制的气动弹性系统的状态空间方程,分析了系统的稳定性,并与频域稳定性分析结果进行了对比,进一步考察了带结构非线性环节情况下的延迟反馈气动伺服弹性系统的颤振稳定性特性。 最后,对MATLAB/SIMULINK环境下如何建立非线性气动伺服弹性模型进行了初步研究。将连续时间域非定常涡控制方程推广到三自由度带操纵面二元机翼模型上。建立其状态空间模型后作线性颤振分析,并与经典V—g法分析结果进行了对比。利用操纵面进行反馈控制,考虑了结构非线性因素,进行了无控气动弹性稳定性仿真和主动颤振抑制仿真研究。研究表明,非定常涡方法在结构非线性气动伺服弹性系统分析中是一种行之有效的方法。