基于多级磁流变阻尼器的颤振半主动抑制

摘要

近年来，基于磁流变阻尼器的振动半主动控制技术取得重要进展，并被应用于土木结构、车辆悬架的振动控制。由于该技术稳定性好、成本低、重量轻、能耗小，从而引起了航空科技界的关注。本学位论文尝试通过磁流变阻尼器来实时调节机翼与操纵面之间的扭转刚度和阻尼，进而改善整个机翼系统的颤振特性。本文的主要学术贡献如下： (1) 提出了多级磁流变阻尼器的概念，其特点是通过改变磁场作用面积来改变阻尼力矩的大小，从而实现了阻尼力矩的分级调节。设计了适用于机翼操纵面结构的多级磁流变阻尼器。基于流变力学建立了多级磁流变阻尼器的输出力矩理论模型，推导了磁场作用面积和输出力矩的函数关系。针对不同激励频率、激励位移和磁场作用面积，通过试验获得了该阻尼器的特性，基于实验数据建立了描述阻尼器动态特性的BP 神经网络模型。 (2) 针对带有操纵面的三自由度翼段，基于Theodorsen 非定常气动力模型建立了其气动弹性方程，研究了气动弹性系统的颤振机理。分析了机翼结构的频率比，阻尼比等参数与颤振临界速度和颤振频率之间的关系；探讨了结构参数对颤振形态的影响，从理论上证明通过提高操纵面的转动阻尼比可提高气动弹性系统的颤振临界速度。 (3) 针对上述三自由度翼段设计了抑制操纵面颤振的半主动控制算法。包括常阻尼控制、开关控制、输出反馈次最优控制以及输出反馈次最优关控制。根据机翼模型、非定常气动力模型和磁流变阻尼器建立了气动弹性系统仿真模型，并结合半主动控制算法进行了不同空气速度下的数值仿真分析。仿真结果表明，气动弹性系统模型的颤振临界速度可提高53.85﹪。 (4) 基于结构力学、Theodorsen 非定常气动力模型和片条理论建立了大展弦比平直机翼的气动弹性方程。研究了大展弦比平直机翼的颤振机理，分析了大展弦比平直机翼的结构参数对颤振临界速度和颤振形态的影响。从理论上阐述了使用磁流变阻尼器来提高颤振临界速度的可行性。研究了带有多个磁流变阻尼器的大展弦比平直机翼的半主动控制算法，并进行了数值仿真分析。结果表明，半主动控制可以将大展弦比平直机翼的颤振临界速度提高17.24﹪。 (5) 设计并实现了带有多级磁流变阻尼器的三自由度翼段模型实验系统，构建了数据采集处理系统、计算机控制系统和阻尼器伺服电源系统，开发了计算机半主动控制软件，并在风洞中进行了三自由度机翼气动弹性系统的半主动控制实验。在不同风速条件下，对颤振半主动控制算法进行了验证，并比较了不同半主动控制算法的控制效果。实验结果表明，半主动控制可以有效地提高气动弹性系统的颤振临界速度，最多可达到26﹪。风洞实验与理论分析、数值仿真的结果基本一致。