基于板模型的柔性机翼气动弹性分析与控制

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本文利用压电材料的正压电效应与逆压电效应,对含有压电作动器与压电传感器的智能结构机翼进行颤振主动抑制的研究。机翼模型采用复合材料悬臂板结构,具有展向和弦向的二维柔性。压电材料具有分布灵活,结构简单,响应迅速的特点。压电材料用于机翼结构,具有自我监测与作动功能,可以方便的组成反馈控制系统。本文使用一对或多对压电作动器与传感器分布于柔性机翼,对机电耦合系统的建模、柔性机翼的颤振特性分析、反馈控制系统的设计、颤振主动抑制的效果进行了理论分析与仿真研究。论文的主要研究工作如下:基于一阶剪切变形板理论推导了含有压电作动器与传感器层的复合材料层合板的有限元模型。采用四节点四边形等参单元对结构进行离散,使用替代横向剪切应变场的方法来避免剪切锁死,由Hamilton变分原理得到有限元结构动力学方程,通过数值算例验证了有限元模型的正确性。采用偶极子网格法计算亚音速非定常气动力,使用无限板样条插值方法实现结构与空气动力之间的连接,由此得到基于频域气动力的气动弹性方程。采用V-g法对机翼进行颤振分析,得到机翼的颤振速度和颤振频率。通过算例看出不同压电片的覆盖方式对机翼颤振特性有明显影响。采用Roger近似法对频域气动力进行有理函数拟合,得到时域状态空间表达的气动弹性系统方程,设计速度负反馈控制和LQG控制两种控制律。针对翼根处带有一对压电作动器与传感器的机翼与整个翼面带有多对压电作动器与传感器的机翼进行颤振主动抑制的研究,对闭环系统的稳定性分析与仿真计算验证了控制方法对颤振抑制的有效性。
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