柔性与刚性机翼微型飞行器气动特性差异研究

设计并研制了一种布局形式的刚性机翼和柔性机翼的微型飞行器,在风洞中研究了刚性机翼和柔性机翼微型飞行器的气动特性,给出了刚性机翼和柔性机翼的气动特性差别。研究结果表明柔性机翼的气动特性要比刚性机翼好,柔性机翼具有延迟失速的能力,有利于安全、稳定飞行。     

基于干扰观测器的二元机翼颤振抑制及阵风载荷减缓方法研究

针对大展弦比柔性飞机在飞行过程中面临的两类气动弹性问题:颤振抑制与阵风载荷减缓开展研究。首先,建立以飞行速度为时变参数的柔性二元机翼结构动力学模型。其次,提出了基于鲁棒预测控制方法的变参数柔性机翼颤振抑制;同时,引入干扰观测器对阵风扰动进行观测,以干扰估计作为抗干扰控制输入,实现阵风载荷减缓。然后,根据对偶原理,将控制器与观测器独立设计。运用极点配置方法,设计了离散系统干扰观测器。根据Lyapunov理论将变参数系统的鲁棒镇定与颤振抑制问题转换为极大/极小动态规划问题。通过线性矩阵不等式方法求解出相应的预测控制律,并证明了整个闭环系统的稳定性。最后,以某型柔性变参数二元机翼对象为例,进行仿真。结果表明,设计的鲁棒预测控制器可提高约20%的临界颤振速度,且阵风载荷减缓率达到90%。     

静风荷载下的大跨度斜拉桥稳定性分析

由于风荷载对斜拉桥的作用比较敏感,尤其是对于柔性大跨度斜拉桥。文章基于伯努利方程推导整个断面的3方向静风荷载原理,并采用内外增量双重迭代以及发散机理的数学描述给出静风稳定性计算过程;结合斜拉桥本身特性,分析了某跨江大跨度斜拉桥的横桥向风荷载和竖桥向风荷载的影响;使用大型有限元软件MIDAS/Civil建立桥梁模型,并进行成桥状态静风荷载下的特性分析,据此来评估该桥的静力抗风性能,为相关桥梁的抗风性能分析与设计提供依据。     

昆虫飞行高升力的一种新解释——柔性楔形效应

以探索仿生扑翼飞行机器人研制为目的,在研究"柔性楔形效应"的基础上,将昆翅视为柔性翅,提出用"柔性楔形效应"解释昆虫飞行高升力的观点.指出了用"柔性楔形效应"解释昆虫飞行高升力的仿生学意义.根据该观点,翅翼在自适应变形状态下施以简单的节律运动将是未来仿生扑翼飞行机器人翅翼驱动方式的发展趋势.仿生运动的模拟越简单越容易稳定地实现,实验小组已设计制作了仿生扑翼飞行机器人样机,并成功进行了多次室外放飞.     

用于微型飞行器的可变机翼设计及其特性

微型飞行器在低Reynolds数条件下飞行,机动能力不足且稳定性差.为了解决上述问题,设计了一种翼型可变机翼,通过高效紧凑的曲柄滑块驱动机构带动机翼蒙皮,最终牵动整个机翼变形;然后对常规机翼和翼型可变机翼进行了仿真和风洞对比试验.结果表明: 这种翼型可变机翼具有与很多常规固定机翼不同的特性,可使升力有很大提高,能增强微型飞行器的机动性并改善失速特性;而且,通过变形,翼型可变机翼可以在不同迎角下获得最优气动效率.     

新型缝翼对机翼气动性能影响的实验研究

随着经济的发展,飞行运动渐渐成为人们所喜爱的体育项目之一,低速二维机翼是轻型运动飞机产生升力的主要部件。二维机翼W-1是一款经典的轻型飞机机翼。二维缝翼S-1是一款根据仿生原理设计的增升装置,用来延迟在低雷诺数和大攻角条件下二维机翼W-1上表面的流动分离。通过一系列的风洞试验,来验证缝翼S-1对二维机翼W-1的边界层分离和升力的影响。试验结果表明:在低雷诺数条件下,缝翼S-1的使用对二维机翼W-1的边界层分离有明显的抑制作用,二维机翼W-1的失速攻角延迟了3.5°,最大升力系数增加了30.5%。     

强/台风作用下大跨空间索桁体系现场风压风振实测研究

为保证我国东南沿海地区大跨预应力柔性体系的抗风安全性,并为规范规程的进一步修订做准备,建筑工程学院针对强/台风多发地区实际、典型大跨空间索桁体系-乐清"弯月"体育场,进行现场风压风振实测,以获得足尺结构在真实建筑风环境下的风荷载和风致效应.一方面,这是研究大跨柔性体系强/台风作用下的风荷载特性、风致效应及机理最为直接和有效的手段,测试数据最具有科学研究和实际应用价值.另一方面,亦是深入研究其在强/台风作用下结构抗风设计实用方法的基础.若能取得创新性成果,可显著提升我国大跨预应力柔性体系的抗风设计研究水平.     

台风对大跨度钢桁拱桥抗风性能的影响

采用Monte-Carlo台风随机模拟算法的结果和风荷载规范良态气象风环境参数建议取值,在大气边界层风洞中利用被动紊流发生装置再现了良态和台风2类气象条件下的风环境特征.以地处珠江流域台风多发区的广州新光大桥为例,采用全桥气弹模型风洞试验和基于主梁及肋拱测力试验的3维静风稳定性数值计算等手段,详细分析了中承式大跨度连续刚桁拱桥在2类风环境中平均风位移、风致抖振响应和3维稳定性的差异,分析过程比较了2类气象条件下重现期设计风速、平均风和紊流度剖面等因素对于拱桥抗风性能的影响.     

加装翼尖小翼的仿生机翼在临近空间的气动性能分析

参照某型在飞无人机采用仿海鸥翼型设计出平直机翼并在其基础上加装翼尖小翼。通过对两种机翼的数值模拟,得出了加装翼尖小翼仿生机翼的气动性能明显优于平直机翼,加装小翼后仿生机翼有效地减小了下洗速度,降低了诱导阻力,使得机翼的气动性能有明显的改善。为无人机机翼的设计提供理论参考。
     

飞机机翼防除冰系统研究进展

机翼表面的积冰对飞机飞行姿态影响很大.为满足飞机在低温、高湿等气候条件下的飞行要求,防除冰系统的设计研究是飞机设计中的重要内容.介绍了飞机积冰的特点及其对飞机飞行性能的影响,并对国外各种先进的机翼防除冰系统工作原理及特征加以介绍和对比分析,对国内飞机防除冰系统的设计具有很大的参考价值.     

基于数据驱动的小型柔性翼飞行器控制研究

柔性翼在阵风干扰下的被动变形有助于降低其对飞行器运动的影响,设计采用柔性翼的小型飞行器被认为是解决小型飞行器易受阵风干扰问题极具潜力的方案.同时,翼面可卷曲的特性也使得该类飞行器满足单兵便携式武器装备易携带的要求.考虑一种无副翼柔性翼飞行器区别于常规飞行器布局的特点,为解决由飞行试验数据分析得出的全动平尾舵面出现非线性饱和问题以及同时利用平尾舵面控制滚转俯仰通道引起的耦合问题,设计了一种基于数据驱动的无模型自适应控制器方案.数值仿真结果证实了针对该型无副翼柔性翼飞行器的姿态控制,所设计的控制器较传统单通道PID控制器控制效果更好.      

鱼形仿生柔性翼结构设计及优化

以锦鲤为生物原型,开展了鱼形仿生柔性翼结构设计及优化研究。通过循环水池实验,表征出锦鲤游动姿态;基于折纸结构,建立鱼形仿生柔性翼结构模型,研究其驱动载荷和振动幅值的特性。设计正交试验,分析鱼形仿生柔性翼结构设计的主要几何参数对其性能的影响规律,并通过周期性运动对其性能进一步分析。结果表明：结构外板厚度、结构内板厚度和隔板角度对驱动载荷和振动幅值的影响依次增大。仿生柔性翼外/内板厚度、隔板角度依次为0.7mm/0.3mm、75°,其摆动姿态和实际锦鲤摆动姿态的最大偏差是8.13%。且该结构的极限屈服幅度远大于试验的最大屈服幅度,回弹性能好。     

Analysis on pivot turning of quadruped robot with bionic flexible body driven by the PAMs

The pivot turning function of quadruped bionic robots can improve their mobility in unstructured environment.A kind of bionic flexible body mechanism for quadruped robot was proposed in this paper,which is composed of one bionic spine and four pneumatic artificial muscles （PAMs）.The coordinated movement of the bionic flexible body and the leg mechanism can achieve pivot turning gait.First,the pivot turning gait planning of quadruped robot was analyzed,and the coordinated movement sequence chart of pivot turning was presented.Then the kinematics modeling of leg side swing and body bending for pivot turning was derived,which should meet the condition of the coordinated movement between bionic flexible body and leg mechanism.The PAM experiment was conducted to analyze its contraction characteristic.The study on pivot turning of the quadruped robot will lay a theoretical foundation for the further research on dynamic walking stability of the quadruped robot in unstructured environment.     

柔性翼飞行器刚柔耦合动态特性研究

针对柔性翼飞行器柔性机翼弹性运动与飞行器刚体运动具有强耦合特性,基于拉格朗日方程,建立了柔性翼飞行器动力学模型.在特征点处对动力学模型进行小扰动线性化处理,并联立非定常气动力模型,得到了状态空间形式的纵向线性运动方程.分析了机翼结构刚度对飞行器纵向稳定性的影响以及飞行器的模态耦合动态特性.研究结果表明,柔性翼飞行器的弹性自由度会对飞行器的短周期模态造成较大影响.随着飞行速度的提高,短周期模态频率增加而1阶弯曲弹性模态频率降低,当两者频率趋向一致时,飞行器会发生体自由度颤振,体自由度颤振速度要明显低于基于悬臂梁机翼模型计算得到的颤振速度.      

后掠机翼跨音速静气动弹性特性研究

后掠机翼在飞行过程中受气动载荷影响,其机翼将产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机性能和飞行安全,不能将此种机翼当作传统的刚性机翼加以弹性修正的方法进行分析。针对这种弹性后掠机翼,应用发展的非结构动网格生成方法,以Euler方程为控制方程,耦合结构静平衡方程,采用结构影响系数法,对中等展弦比、大展弦比后掠机翼的气动力载荷和结构变形进行了求解,并对结果进行了分析。     

四足机器人刚柔耦合仿生脊柱研究进展

 四足机器人的仿生脊柱对提高机器人非结构化环境的机动性和稳定性具有重要作用。系统分析了国内外四足机器人仿生脊柱的研究现状,将仿生脊柱分为局部柔顺脊柱和整体柔顺脊柱两类,对比分析不同四足机器人仿生脊柱的结构特点,提出未来发展趋势。四足机器人仿生脊柱从传统的整体刚性结构向刚柔耦合结构方向发展,具有类生物变刚度、可柔顺弯曲特性的新型仿生脊柱突破仿生驱动、神经元精细控制等关键技术,向高效能量转换的类生物系统方向发展。     

风力发电机组塔架的仿竹结构设计

针对风力发电机组塔架高耸结构稳定性问题,结合仿生结构设计理论,将竹子纤维束引入塔架结构,研究通过仿竹结构设计提高塔架稳定性的方法.以2 MW风力发电机组塔架为研究对象,采用层次分析法对竹子与塔架的相似度进行计算,验证生物选型的合理性.通过研究竹子纤维束特征与竹身稳定性的关系,设计出具有4根加劲肋的仿竹塔架.应用有限元数值分析方法对仿竹塔架和原型塔架的静态和动态效能进行分析,结果表明:仿竹塔架的塔顶位移和最大应力相较原型塔架分别降低了2.27%和13.48%,仿竹塔架前两阶固有频率相较原型塔架提升了1.31%和1.58%,仿竹塔架结构整体稳定性提升了1.4%.验证2 MW风力发电机组塔架仿竹设计的可行性可为后续塔架结构设计提供新的方法.     

Simulation of wind gust structure in the atmospheric boundary layer with Lattice Boltzmann Method

Cold fronts occur in northern East Asia during winter and spring.After cold frontal passage,airflow is downward and accompa-nying strong winds fluctuate significantly;this is termed wind gusts.Analysis of observation data shows that wind gust structure has coherent characteristics.This is important for entrainment of spring dust storms into the upper boundary layer,where they are transported great distances.The Lattice Boltzmann Method(LBM) is a computational fluid technique based on the Boltzmann transport equation.The LBM has been used to study complex motion such as turbulence,because it describes motion at the micro level.In this paper,Large eddy simulation is introduced in the LBM,enabling simulation of turbulent flow in the atmospheric boundary layer.The formation and development of wind gusts are simulated,and a coherent structure with a combination of wave and vortex is obtained.This explains the mechanism of soil erosion and sand entrainment by the coherent structure of wind gusts.     

兆瓦级垂直轴风力发电机组仿生塔架性能分析

为避免兆瓦级风力发电机组风激共振破坏问题,采用流体控制方程建立了兆瓦级垂直轴风力发电机组仿生塔架流场模型,模仿棕榈树树干直径随高度变化的规律,分3段建立仿生塔架,对兆瓦级垂直轴风力发电机组塔架进行了流固耦合数值分析。结果表明,仿生塔架与同类项普通塔架相比,兆瓦级垂直轴风力发电机组仿生塔架变形虽然稍有增大,但能满足风机塔架的变形设计要求,其最大应力下降了3 MPa,1阶固有频率避开了共振的频率范围,材料用量减小了10%,减轻了塔架的质量。