一种考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学建模方法与流程

本发明涉及一种考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学建模方法，用于实现考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学模型的建立，属于飞行器总体设计与力学。

背景技术：

1、多体组合式飞行器是一种新概念飞行器，由多个单体飞行器通过翼尖连接机构(也称链翼)组合形成。可以根据飞行任务需求由多体组合式飞行器自主分离为单体飞行器或由单体飞行器对接形成组合式飞行器，既保留了单体飞行器的机动性和灵活性，又具有多体组合式飞行器大展弦比的空气动力性能和长航时能力，相关的理论研究和飞行试验起始于20世纪30年代，并在21世纪呈现高速增长趋势。

2、多体组合式飞行器的动力学呈现出多体、多自由度、多运动模态的特点，近年来的研究集中在解决铰接约束条件下的多刚体系统飞行动力学建模问题，目前普遍采用newton-euler方程或lagrange方程建立多体组合式飞行器的多刚体动力学模型，虽然一定程度上能够描述多体组合式飞行器的运动状态，并在此基础上设计控制器，但是相关的飞行试验表明，多体组合式飞行器的机翼是有一定程度的变形，影响着气动布局和系统稳定性，导致多刚体动力学模型精度不够，从而造成控制精度不够的问题。

3、因此，建立多体组合式飞行器的刚柔耦合多体动力学模型，精确描述机翼变形与多体组合式飞行器运动状态之间的耦合关系，是当前的难点和迫切要解决的问题之一。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了现有多体组合式飞行器的多刚体动力学模型精度不够，不能描述多体组合式飞行器机翼柔性变形带来的影响，造成系统控制精度不够，从而影响着系统的稳定性的问题。

2、本发明目的通过以下技术方案予以实现：

3、一种考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学建模方法，包括：

4、确定多体组合式飞行器的构型；

5、基于有限元方法建立多体组合式飞行器彼此连接的两个柔性机翼整体的结构动力学模型；

6、基于theodorsen非定常气动力模型建立多体组合式飞行器柔性机翼的非定常气动力模型；

7、建立多体组合式飞行器单体飞行器刚性机身的飞行动力学模型；

8、建立多体组合式飞行器柔性机翼结构变形与气动力的耦合模型；

9、建立多体组合式飞行器柔性机翼变形与刚性机身运动的耦合模型；

10、建立多体组合式飞行器翼尖连接处约束方程；

11、建立考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学模型。

12、本发明一实施例中，多体组合式飞行器由多个单体飞行器通过翼尖连接机构组合形成，除柔性机翼外的机身为刚性，柔性机翼的变形不改变飞行器的质心位置。

13、本发明一实施例中，建立多体组合式飞行器彼此连接的两个柔性机翼整体的结构动力学模型包括：

14、以彼此连接的两个柔性机翼及其连接机构作为一个整体进行分析，以沿机翼弹性轴的梁模型作为柔性机翼的有限元模型，一个机翼的梁模型具有k个梁元，连接机构不单独划分，将连接机构作为一个结构节点，两个机翼及其连接机构共有(2k+1)个结构节点、2k个梁元(翼段)；

15、基于梁模型进行分析，得到彼此连接的两个柔性机翼整体的结构动力学方程；

16、

17、式中，η是结构节点的广义位移矢量，m是质量矩阵，c是阻尼矩阵，k是刚度矩阵，p是作用力；

18、对于最外侧的飞行器，靠近外侧的机翼不与其他机翼相连接，以沿机翼弹性轴的梁模型作为柔性机翼的有限元模型，一个机翼的梁模型具有(k+1)个结构节点、k个梁元，同样基于梁模型进行分析，可得到形式相似的结构动力学方程。

19、本发明一实施例中，建立多体组合式飞行器柔性机翼的非定常气动力模型包括：

20、对于一个单位展长二元机翼，机翼半弦长为b，弹性轴距离翼弦中点为a为翼弦中点到弹性轴的距离占半弦长的百分比，弹性轴在翼弦中点后为正；对于不可压缩流中的二元机翼，假设机翼作频率为幅值为的沉浮运动以及频率为幅值为的俯仰运动式中，h是机翼沉浮位移，α是机翼俯仰角，e是自然常数，i是虚数单位，t是时间；则theodorsen非定常气动力给出的单位展长上的气动升力l和对弹性轴的俯仰力矩tα分别为

21、

22、式中，π为圆周率，ρ为空气密度，u为来流速度，为折合频率，是无量纲参数，c(k)是theodorsen函数。

23、本发明一实施例中，多体组合式飞行器单体飞行器刚性机身的飞行动力学模型为：

24、

25、式中，m是单体飞行器刚性机身的质量，j是单体飞行器刚性机身的转动惯量，v是单体飞行器刚性机身的速度，ω是单体飞行器的弹道坐标系相对于地面坐标系的转动角速度，ω是单体飞行器的弹体坐标系相对于地面坐标系的转动角速度，f是机身所受的外力，m是机身所受的外力矩。

26、本发明一实施例中，采用lagrange方法建立多体组合式飞行器单体飞行器刚性机身的飞行动力学模型。

27、本发明一实施例中，建立多体组合式飞行器柔性机翼结构变形与气动力的耦合模型包括：

28、当柔性机翼的结构变形时，柔性机翼的气动力随之发生变化，通过theodorsen非定常气动力模型计算得到柔性机翼的任意运动气动力，由此建立了柔性机翼结构变形对气动力的影响关系；当柔性机翼的气动力发生变化后，柔性机翼各翼段受到的作用力发生变化，基于梁模型结构动力学方程计算得到柔性机翼各翼段的结构变形矢量，由此建立柔性机翼气动力对结构变形的影响关系；柔性机翼的结构变形与气动力相互影响，由此建立柔性机翼结构变形与气动力的耦合模型。

29、本发明一实施例中，建立多体组合式飞行器柔性机翼变形与刚性机身运动的耦合模型包括：

30、当柔性机翼变形后，通过theodorsen非定常气动力模型计算得到柔性机翼变形后的非定常气动力，柔性机翼通过翼根传递给机身的力、力矩随之发生变化，刚性机身所受到的外力随之变化，基于刚性机身的飞行动力学模型解算刚性机身的运动状态，由此建立柔性机翼变形对刚性机身运动的影响关系；

31、当刚性机身的运动状态发生变化后，柔性机翼所受的惯性力pi随之发生变化，基于柔性机翼的结构动力学方程，柔性机翼的结构变形随之发生变化，基于theodorsen非定常气动力模型，柔性机翼的气动力随之发生变化，同时翼根处的边界条件随刚性机身运动状态的变化而变化，由此建立刚性机身运动对柔性机翼变形的影响关系；

32、柔性机翼的变形与刚性机身的运动相互影响，由此建立柔性机翼变形与刚性机身运动的耦合模型。

33、本发明一实施例中，建立多体组合式飞行器翼尖连接处约束方程包括：

34、基于彼此连接的两个柔性机翼整体的结构动力学方程计算得到连接处的节点相对于第i个单体飞行器质心的位置矢量为ri～o，连接处的节点相对于第(i+1)个单体飞行器质心的位置矢量为r(i+1)～o，则第i个单体飞行器与第(i+1)个单体飞行器之间的约束关系为

35、ri+ciri～o-r(i+1)-c(i+1)r(i+1)～o＝0

36、式中，ri为地面坐标系下第i个单体飞行器的位置矢量，ci为第i个单体飞行器体坐标系到地面坐标系的转换矩阵，r(i+1)为地面坐标系下第(i+1)个单体飞行器的位置矢量，c(i+1)为第(i+1)个单体飞行器体坐标系到地面坐标系的转换矩阵。

37、本发明一实施例中，建立考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学模型包括：

38、对于多体组合式飞行器，将多体组合式飞行器彼此连接的两个柔性机翼整体的结构动力学模型、多体组合式飞行器柔性机翼的非定常气动力模型、多体组合式飞行器单体飞行器刚性机身的飞行动力学模型、多体组合式飞行器柔性机翼结构变形与气动力的耦合模型中的作用力p、多体组合式飞行器柔性机翼变形与刚性机身运动的耦合模型中的外力f和外力矩m、多体组合式飞行器翼尖连接处约束方程中的翼尖连接处约束方程进行联立，可以得到考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学模型。

39、本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

40、(1)本发明建立了考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学建模方法，克服了现有多刚体动力学模型精度不够，从而造成控制精度不够的问题，能够描述多体组合式飞行器机翼柔性变形带来的影响，提高多体组合式飞行器动力学建模精度，为高精度高稳定控制提供动力学基础。

41、(2)本发明建立了柔性机翼变形与刚性机身运动的耦合模型，既不过多增加动力学方程的复杂程度，又能描述多体组合式飞行器机翼柔性变形带来的影响，是一种利于飞行控制仿真的多体组合式飞行器刚柔耦合模型。

42、(3)本发明建立了柔性机翼结构变形与气动力的耦合模型，既不过多增加动力学方程的复杂程度，又能清晰明确地描述柔性机翼结构变形与气动力之间的耦合关系，是一种清晰、明确、简洁的柔性机翼结构变形与气动力的耦合模型。

43、(4)本发明建立了多体组合式飞行器彼此连接的两个柔性机翼整体的结构动力学模型，相比于单独对柔性机翼建立结构动力学模型后求解两个柔性机翼翼尖连接处约束力的思路，本发明中直接对包含翼尖连接处的两个柔性机翼整体建立结构动力学模型的思路，较好地处理了翼尖连接处复杂约束力求解的问题，并且动力学模型中物理意义明确。

技术特征：

1.一种考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学建模方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多体组合式飞行器动力学建模方法，其特征在于，多体组合式飞行器由多个单体飞行器通过翼尖连接机构组合形成，除柔性机翼外的机身为刚性，柔性机翼的变形不改变飞行器的质心位置。

3.根据权利要求1所述的多体组合式飞行器动力学建模方法，其特征在于，建立多体组合式飞行器彼此连接的两个柔性机翼整体的结构动力学模型包括：

4.根据权利要求1所述的多体组合式飞行器动力学建模方法，其特征在于，建立多体组合式飞行器柔性机翼的非定常气动力模型包括：

5.根据权利要求1所述的多体组合式飞行器动力学建模方法，其特征在于，多体组合式飞行器单体飞行器刚性机身的飞行动力学模型为：

6.根据权利要求1所述的多体组合式飞行器动力学建模方法，其特征在于，采用lagrange方法建立多体组合式飞行器单体飞行器刚性机身的飞行动力学模型。

7.根据权利要求1所述的多体组合式飞行器动力学建模方法，其特征在于，建立多体组合式飞行器柔性机翼结构变形与气动力的耦合模型包括：

8.根据权利要求1所述的多体组合式飞行器动力学建模方法，其特征在于，建立多体组合式飞行器柔性机翼变形与刚性机身运动的耦合模型包括：

9.根据权利要求1所述的多体组合式飞行器动力学建模方法，其特征在于，建立多体组合式飞行器翼尖连接处约束方程包括：

10.根据权利要求1所述的多体组合式飞行器动力学建模方法，其特征在于，建立考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学模型包括：

技术总结
本发明提出一种考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学建模方法，首先给出多体组合式飞行器的构型以及刚性机身、柔性机翼的合理假设，其次建立柔性机翼的结构动力学模型和非定常气动力模型，并建立柔性机翼结构变形与气动力的耦合模型，然后建立柔性机翼变形与刚性机身运动的耦合模型，并建立翼尖连接处约束方程，最终基于上述模型建立利于飞行控制的考虑机翼柔性的多体组合式飞行器动力学模型。本发明解决现有多体组合式飞行器的多刚体动力学模型精度不够的问题，能够描述多体组合式飞行器机翼柔性变形带来的影响，提高多体组合式飞行器动力学建模精度，为高精度高稳定控制奠定动力学基础。

技术研发人员：张旭辉,赵新运,解春雷
受保护的技术使用者：中国航天科技创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23