无人纵列式直升机建模与仿真

当前无人机在各个领域正在发挥着越来越重要的作用。针对清华大学无人机研究的需要,首先分析了无人纵列式直升机的气动布局和操纵特性,建立了旋翼和直升机的数学模型,推导出控制量与飞机飞行状态的关系,实现了在PC机上实时仿真无人直升机的飞行状态及控制响应。仿真结果较好地反应了纵列式直升机的控制特性,在小扰动情况下的控制效果与直升机的实际飞行状态非常接近,实时仿真得到的控制响应和飞行状态数据为无人直升机的飞行控制系统的研究提供了依据。     

反推力吸附的爬壁机器人设计及实验研究

为实现机器人稳定、快速和高效地在不同接触壁面移动,提出了一种采用双旋翼螺旋桨反推力作为前驱动力和壁面吸附力的机器人设计方法.对爬壁机器人结构和动力系统进行设计,通过对机器人在不同运动状态下的静力学进行分析,得出机器人在旋翼倾角为60°时动力性能最优,并通过机器人在水平状态下牵引力实验得到了验证.通过在实际操作过程的实验测试,机器人旋翼倾角单度变化运动效果优于旋翼倾角成倍变化.通过对机器人在水平和垂直壁面吸附力进行实验测量,得出由于结构复杂性大大降低了螺旋桨气动效率.最后,通过实验验证了机器人在小斜坡和垂直壁面稳定吸附能力.     

可越障爬壁机器人研究与设计

为了解决爬壁机器人越障性问题,本文根据爬壁机器人的吸附类型介绍了国内外足腿式、蠕动式以及飞吸式机器人越障能力的研究现状,以及本团队研制的3款越障式爬壁机器人的性能特点,对比了各类机器人越障性能的优劣性.在此基础上探讨了爬壁机器人设计时的重点问题,对未来设计越障爬壁机器人起到了一定的引导作用.     

间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析

研究了带有新型吸盘结构的具有间隙式负压吸附方式特点的爬壁机器人的动力学问题。采用间隙吸附方式的爬壁机器人,其运动性能(可操作性、驱动性能等)主要由轮式移动结构决定,因此对爬壁机器人运动结构进行动力学分析是合理和必要的。基于拉格朗日乘子方程建立了机器人的动力学模型。利用Matlab/Simulink的动力学仿真,分析了吸盘吸附力和机器人方位角变化对爬壁机器人运动特性的影响,为改善和提高机器人的运动性能并为其结构优化设计与运动控制提供了理论研究基础。     

风电塔筒检测爬壁机器人设计与安全性分析

针对风电塔筒垂直壁面作业任务的需求,根据塔筒的直径变化范围研制了一个能够自适应塔筒曲面曲率变化的爬壁器人。并对机器人进行静态与动态安全性分析,根据实际塔筒壁面倾角建立任意位姿的空间模型,分析了爬壁机器人失稳的因素及其产生的原因。通过仿真分析得到爬壁机器人的主导失稳形式以及机器人安全吸附时的最小许用吸附力。分析了机器人静态安全吸附与重力和壁面倾角以及位姿角存在的关系,以及动态安全吸附与重心位置高度、摩擦系数、几何尺寸之间的关系,结果表明:纵向翻转式影响机器人安全性的最重要因素,适当地降低机器人的重心高度更有利于保证机器人的稳定性,对样机进行性能测试试验,证明机器人能够在风电塔筒壁面上安全稳定的运行。     

涵道式飞行汽车新型结构的气动性能数值模拟

在研究国内外飞行汽车优势与局限性的前提下,结合共轴反转双旋翼直升机升力大、续航中等以及多旋翼飞行器控制精度高的特点,通过目标设定、方案罗列、理论分析等步骤,提出一种区域适应性更强的涵道式飞行汽车新结构.与两种现有飞行汽车结构进行对比,探讨涵道式飞行汽车的结构及气动性能特点.气动性能数值模拟结果表明该飞行汽车结构值得继续研发与尝试.     

狭窄空间管道外壁检测机器人结构设计

为实现替代人工方法检测过热器管道外壁的目的，本文基于对爬管爬壁机器人的结构原理的分析，考虑到过热器管道空间狭窄形状复杂，设计了一种环抱式管道检测机器人。本文阐述了狭窄空间管道外壁检测机器人工作原理，设计了机器人的机械结构，分析了机器人手臂和手指的夹持力，分析了机器人的爬管升降力，并利用有限元仿真分析对其进行验证。研究结果表明：该结构设计合理，满足所需运行条件要求。     

磁吸附爬壁控制系统的现状与发展

该文通过对国内外磁吸附爬壁机器人以及控制系统的研究进行分析,探讨国内外在爬壁机器人研究中的新技术,洞察爬壁机器人未来的发展趋势,从而为我国爬壁机器人的进一步研究提供可靠的参考依据。     

共轴八旋翼飞行器气动特性三维数值模拟分析

以周向均布四组共轴单元组成的八旋翼飞行器为研究对象,采用计算流体力学的方法,通过商业软件FLUENT对整机飞行器进行数值模拟研究,得到旋翼附近流场的涡流粘度云图、压力云图和流线图. 由结果分析可知,采用单相流模型及Spalart-Allmaras湍流模型可以有效地模拟该共轴八旋翼在工作转速下的气动特性. 当旋翼旋转时,靠近旋翼壁面的流速明显变快,并在旋翼横截面曲率最大处达到最大值. 由于上旋翼尾迹的影响,压差大的区域主要集中在旋翼桨尖附近,此时流线分布也表明共轴上下旋翼之间以及相邻共轴旋翼单元之间存在强烈的气动干扰,这部分干扰可能有利于提高整机升力.     

基于人手遥控学习的旋翼飞行机器人控制研究

传统旋翼飞行机器人控制方法首先需要建立本体的动力学模型,然后根据该模型进行控制器设计。但由于旋翼飞行机器人系统具有强非线性,很难得到精确模型,因此增加了控制器的设计难度。本文以人的遥控过程为研究对象分析熟练操作手和不熟练操作手两类人进行操作的过程,分别设计了可反映操作手能力水平的熟练控制器和不熟练控制器,通过分析比较建立了具有熟练操作手特点的旋翼飞行机器人单通道PD控制系统。仿真实验表明,该控制器可以使旋翼飞行机器人在悬停、前飞和侧飞3种状态下实现姿态稳定控制。     

水平轴变转速风力机气动参数辨识

文章对变转速水平轴风力机气动参数辨识的问题进行了研究 .风轮的功率曲线为风力机气动性能的整体体现 ,直接影响系统的经济性与控制性能 .通常情况下 ,功率曲线与桨距角和叶尖速比有关 ,可以看成是它们的非线性函数 ,一般由气动性能计算得到 .本文首先利用辨识算法 ,在风轮功率曲线的函数形式假设已知的前提下 ,利用测量的输入输出数据 ,辨识出功率曲线函数的参数 .最后 ,利用辨识出的曲线参数 ,预估系统风轮转速 ,并与测量的转速对比 ,以验证辨识模型的准确性 .     

易贡高速远程滑坡近程凌空飞行数值分析

研究了大型高速远程滑坡近程凌空飞行的空气动力学效应,建立了考虑地面效应的滑体运动微分方程组,并以易贡滑坡为例,使用数值分析方法研究高速滑体凌空飞行的运动规律.结果表明,高速滑体因空气动力学效应的影响而产生不断增大的水平推力和竖向抬升力,导致滑体的水平速度不断增大,但增幅不大,而竖向速度增幅减缓.因此,与忽略空气动力学效应的情况相比,高速滑体凌空飞行时间更长,飞行距离更远,更加符合滑坡的实际情况.     

弯掠动叶对旋转失速流场的影响

给出了弯掠动叶和径向（常规）动叶旋转失速工况下流场的实验结果，论述了这两种叶片在变工况下的性能差异以及弯掠动叶对旋转失速特征参数的影响，进行了失速前后有关试验数据的对比分析，讨论了弯掠动叶引起旋转失速流场变化的机理及对流场的改善作用．     

翼尖形状对双后掠飞翼纵向气动特性的影响

以双后掠飞翼为基础外形,兼顾隐身性能,对其翼尖进行改形设计。利用数值模拟方法研究翼尖平面形状对双后掠飞翼布局纵向气动特性和纵向静稳定性的影响。结果表明：剪切翼尖可以提供向前的推力、减小飞翼的阻力,提高最大升阻比,增强纵向静稳定性。不同形状的剪切翼尖影响效果不同,巡航状态下,相比于基础构型,剪切翼尖最大可以使双后掠飞翼阻力减少7.9%,最大升阻比提高11.9%,纵向静稳定裕度增加10.8%。研究结果对双后掠飞翼布局翼尖形状的选取有一定的参考意义。     

影响磁头超薄气膜飞行稳态特性因素的数值分析

利用有限差分原理对修正后的气体雷诺方程进行离散,并以剪切流为迭代主项求解获得了超薄气膜润滑轴承的压力分布.在此基础上,通过改变磁头初始工作条件,如气膜特征高度、初始俯仰角、磁盘旋转速度,分别计算得到了气膜轴承在稳态下的飞行特性参数,包括气浮力、气浮力转矩、最大气浮力、最小气浮力等.文中还详细分析了这些初始工作条件对稳态下磁头飞行特性参数的影响.计算结果表明:随着气膜特征高度的降低和初始俯仰角的减小,气体轴承刚度增大;气膜特征高度不变时转速变化对特性参数的影响与俯仰角不变时转速对特性参数的影响具有相同的变化趋势.     

基于多体动力学的直升机桨叶特性仿真分析

 针对无人直升机旋翼桨叶性能改进升级的实际需求,以200 kg 级无人机旋翼为原型建模,利用COMOSOL 软件对直升机桨叶特性进行仿真分析研究。基于叶素法建立了桨叶升力的数学模型,克服了常规旋翼动力学仿真分析时气动载荷加载棘手的难题;通过研究直升机桨叶的空间旋转运动与其弹性变形间的耦合关系,得出了桨叶攻角、升力、桨尖位移随总距以及周期变距的变化曲线。将仿真结果与常规数值分析结果比较,验证了仿真结果的准确性。根据仿真结果提出了对桨叶迎角、桨叶前缘刚度等的具体改进建议,可为桨叶的改进设计提供参考依据。     

变转速对旋翼悬停气动性能影响的试验与分析

为研究转速变化对旋翼悬停性能的影响,通过旋翼计算流体力学方法建模分析和缩比模型旋翼台试验的方法,以自研无铰式刚性旋翼为对象,研究了旋翼转速对悬停性能的影响规律。结果表明：基于运动嵌套网格和非定常流场求解建立的旋翼计算流体力学方法对悬停状态的气动性能计算精度较高,最大误差为6.84%;模型旋翼试验数据有效,具有良好的重复性;转速降低后相同总距对应的拉力系数更小,悬停效率拐点对应的拉力系数更大;拉力越小,变转速所节省的功率越明显,低拉力时可节省超过40%需用功率。可见改变转速可以显著提升悬停状态的旋翼气动性能。     

压气机动应力测试的叶-盘耦合分析方法

为评估发动机压气机转子叶片的振动特性和工作可靠性,基于循环对称结构模态分析基本理论,建立了大叶片在轮盘装配条件下的耦合振动特性分析方法。以压气机某级为研究对象通过循环对称建立叶-盘耦合结构有限元模型,得到叶-盘系统在静态和工作转速下的模态及应力分布,并通过与实验结果的对比验证了该方法的可靠性。利用Campbell图确定了叶片的危险转速,并评估特定转速下系统频率裕度,为压气机工作叶片动应力测量提供数值仿真技术支撑。     

基于正交试验和Fluent的管翅式换热器结构优化

通过正交试验和数值模拟相结合的方法研究平直翅片管式换热器的换热和流阻特性,以换热系数和压降作为评价指标,用逐个分析各参数对换热和流阻特性的影响以及综合换热评价指标两种评价方法实现对换热器风机风量、翅片间距、厚度和管横纵向间距的优化。结果表明：翅片间距对压降影响最大,管纵向间距对空气侧换热系数影响最大;一种优化组合为风机风量1 450 m³/h、翅片间距2.4 mm、翅片厚度0.38 mm、管横向间距28 mm和纵向间距15 mm,另一种优化组合为风机风量1 700 m³/h、翅片间距2.4 mm、翅片厚度0.38 mm、管横向间距28 mm、纵向间距21 mm;使用优化换热器的冰淇淋机的换热能力比原设备分别提高了5.73%和6.85%。     

风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.