高超声速无人机机翼结构损伤分析及减损控制技术研究

摘要

高超声速无人机作为一种高性能飞行器，在其执行任务过程中飞行速度遍历亚声速、跨声速、超声速以及高超声速，飞行高度跨越连续流区、过渡流区和稀薄流区，而极端的飞行环境所产生的复杂的气动干扰和气动热使得无人机机体结构容易出现不同程度的疲劳损伤，损伤的持续累积可能会导致飞行灾难发生。而机翼翼梁根部作为无人机上的主要承力部件，不仅需要承受飞行器自身的重力，还要承受机翼翼面在高速气流中受到的强烈的气动载荷作用以及复杂的气动干扰、气动热影响，因此翼梁根部作为机翼的关键部件是整个机翼结构中最容易出现疲劳损伤的结构之一。为保证无人机在整个飞行包线内的结构可靠性，并延长结构使用寿命，本文对高超声速无人机机翼关键部件的结构力学模型、损伤模型以及无人机系统运动模型进行了建立和分析，同时建立了机翼关键部件的强度可靠性分析模型；之后，通过分析对损伤影响最大的关键变量，对机翼关键部件的减损控制方法进行探究。论文的主要工作内容如下：
　　首先，在美国NASA建立的6自由度通用高超声速无人机模型及气动参数的基础上对机翼关键部件的受力情况进行分析，建立结构力学分析模型，并结合结构材料强度特性，提出基于全概率方法的应力-强度干涉分析模型，对机翼关键部件的结构可靠性进行了分析。
　　其次，建立高超声速无人机系统数学模型，并根据结构疲劳累积损伤机理建立可以表征机翼关键部件损伤发展情况的损伤力学模型，同时通过依次分析各个飞行状态量对无人机气动系数、动压的影响以及对机翼关键部件损伤特性的影响，确定对损伤影响程度最大的无人机系统关键变量。
　　然后，基于普通滑模理论设计高超声速无人机纵向和姿态飞行控制器，使无人机状态能够跟踪控制指令，模拟爬升与巡航，同时通过降低任务要求和降低飞行性能两种策略来实现基本的减损控制，探讨减损原理。之后，通过使用粒子群优化算法寻求系统性能损失与机翼关键部件损伤之间的最佳折衷，通过设计指令约束曲线的方法实现减损控制。
　　最后，分析普通滑模理论在设计控制器中的不足，提出基于快速双幂次趋近律的单向辅助面滑模控制方法，并据此设计了无人机纵向和姿态飞行控制器。同时从理论上分析了趋近律各参数对系统动态性能的影响，并将机翼关键部件的损伤状态量反馈至趋近律各参数中动态调节控制器对指令的跟踪性能，进而实现机翼关键部件的在线减损控制。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 课题研究背景、目的及意义

1.2 机翼结构可靠性和机翼结构损伤特性的国内外研究分析

1.3 结构减损控制的国内外研究现状

1.4 结构减损控制的关键技术

1.5 本文的主要研究内容及安排

第二章 高超声速无人机机翼关键部件结构强度可靠性分析

2.1 引言

2.2 结构疲劳可靠性基本理论

2.3 高超声速无人机机翼载荷应力强度分析

2.4 高超声速无人机机翼关键部件结构强度可靠性分析

2.5 本章小结

第三章 高超声速无人机机翼关键部件结构损伤特性分析

3.1 引言

3.2 高超声速无人机机翼关键部件损伤力学模型建立

3.3 高超声速无人机数学模型建立

3.4 机翼关键部件损伤动态特性分析

3.5 本章小结

第四章 基于指令输入规律优化的机翼关键部件减损控制研究

4.1 引言

4.2 减损控制系统结构分析

4.3 基于滑模理论的飞行控制系统设计

4.4 基本减损控制的实现

4.5 基于粒子群算法优化指令输入规律的减损控制实现

4.6 本章小结

第五章 基于损伤状态反馈与单向辅助面滑模控制的机翼关键部件在线减损控制研究

5.1 引言

5.2 基于快速双幂次趋近律的单向辅助面滑模理论基础

5.3 考虑损伤反馈的减损飞行控制

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作

6.2 本文的不足及进一步研究思路的扩展

参考文献

致谢

在学期间的研究成果