飞行器动力学建模与仿真
飞行器空气动力学建模与仿真分析
飞行器空气动力学建模与仿真分析随着航空工业的不断发展，飞行器的性能和安全性要求也越来越高。
在研制新型飞行器的过程中，空气动力学是一个关键因素，它涉及到飞行器的稳定性、控制性以及各种外部干扰因素对其造成的影响。
因此，建立飞行器的空气动力学模型，并进行仿真分析是研制新型飞行器必不可少的步骤。
一、空气动力学建模对于飞行器的空气动力学建模，一般采用数值方法进行处理。
首先需要对飞行器进行三维建模，将其转化为由许多小单元拼接而成的网格模型。
根据湍流模型和动力学方程，通过计算流体力学程序，求出网格模型内的压力、速度、温度等变量的数值解。
在得到这些数据之后，可以根据Navier-Stokes方程解算求得飞行器的气动力和力矩。
这种方法被称为CFD（Computational Fluid Dynamics）。
除了CFD方法外，还有另一种空气动力学建模方法，即实验模型法。
这种方法是通过制作飞行器的实验模型进行风洞试验，测量飞行器在各种工况下的气动力和力矩，根据实验模型的数据来建立数学模型。
由于实验模型法的实验结果是真实的，所以它更加准确。
但是，实验模型法需要大量的时间和金钱投入，并且测试结果对实验环境的依赖性较强。
二、仿真分析在得到飞行器的空气动力学模型之后，就可以利用仿真软件进行仿真分析。
仿真分析可以模拟各种工况下的飞行器的飞行状态，并对其进行性能分析和控制系统设计。
仿真分析可以包括单点仿真和多点仿真。
单点仿真是指在某个特定的工况下对飞行器进行仿真。
例如，可以模拟飞机起飞、爬升、巡航、下降和着陆等不同阶段的飞行状态，分别计算其气动力和力矩。
同时，通过控制系统对飞行器进行控制，观察其执行任务的性能和响应特性。
多点仿真是采用Monte Carlo方法，按照一定的概率分布随机生成若干个不同的工况下的仿真结果。
这样可以对飞行器在各种飞行条件下的性能特性和控制系统响应进行全面、多角度的分析。
在仿真分析中，需要对飞行器的空气动力学模型进行修正和调整，以提高模型的精度和准确性，保证仿真结果的可靠性。
模拟飞行实验教案
模拟飞行实验教案一、实验目的本实验旨在帮助学生掌握模拟飞行的基本原理和相关技术，了解飞行仿真软件的使用方法并在实践中加强飞行知的应用，以提高学生对航空领域的兴趣和认识。
二、实验内容1.掌握模拟飞行基本原理及相关技术模拟飞行是指对飞行过程进行模拟，使用计算机软件将飞行器运动学和动力学建模、仿真，并模拟真实的飞行场景和环境。
学生首先需要了解飞行器的基本结构、控制方式和飞行原理，以及仿真软件的基本使用方法，如数据输入、场景设置、视角控制、飞行控制等。
2.使用X-Plane 11飞行仿真软件进行实践X-Plane 11是一款高度现代化的飞行仿真软件，具有高度精确的物理模拟、逼真的景观和高度可配置的飞行参数。
本实验将使用该软件进行实践，在实践中学生将学习到飞行器操作、仪表读数、气象和飞行规则等相关知识，并在实践中加强对理论知识的应用。
三、实验步骤1.学生分组进行实验为了更好地利用学生的时间和资源，建议将学生分组进行实验。
每组23人，每组人员分配应考虑到学生的能力水平和兴趣爱好。
2.学生学习模拟飞行基本理论知识及仿真软件的使用方法。
在进行实践之前，学生需要首先掌握模拟飞行的基本理论知识及仿真软件的使用方法。
教师可以通过课堂讲授、视频教程、书籍阅读等方式进行知识点的讲解。
3.学生在实验室进行实践在实验室中，学生需要根据教师提供的实验任务进行实践操作。
实验过程中，教师可以在旁进行指导和辅导，注重帮助学生解决操作中遇到的问题，并在实践过程中加强飞行知识的应用。
四、实验要求1.学生需要全程参与实验，并遵守实验室的规定和注意事项。
2.学生需要按时完成实验任务，并完成相关的数据记录和分析。
3.学生需要注意安全，以防止实验中出现意外情况。
五、实验结果1.学生可以通过实践操作，掌握模拟飞行的基本原理和相关技术，进一步了解飞行器的结构和控制方式。
2.学生可以使用X-Plane 11飞行仿真软件进行实践，了解更多的飞行知识和规范。
四旋翼飞行器的建模及控制算法仿真_高燕
参数取值分别为 3 、5 、1 ， 而 kd 的参数取值为 0．1 、2 、1 。 而 angle inversion 模 块 是 对 angle PD 模 块 的 三 个 输 出 进 行 反 解 算 ， 三 个输出是姿态角的实际值 ， 如图 2 所示 。
PID 参数将根据不同时刻三个参数的作用以 及 相 互 之 间 的
多旋翼飞行器因其能够在多种环境下 （ 如室内 、 城市和丛林 等 ） 中执行监视 、 侦察等重要任务 ， 已被引入军事作战中 ； 同时它 还具有巨大的民用前景和商业价值
［1－2］
2
控制器设计 飞 行 控 制 是 四 旋 翼 飞 行 控 制 中 的 关 键 技 术 ［6］， 为 了 达 到 控
， 如我国国内的顺丰 快 递
2 ） 当 e 和 ec 为中等大小时 ， 比例系数应较小些 ， 积分系
直升机飞行控制系统动态建模与仿真
直升机飞行控制系统动态建模与仿真一、引言直升机是一种垂直起降的飞行器，在现代社会中扮演着重要的角色，广泛应用于军事、民用、医疗、物流等领域。
其飞行控制系统的设计和开发具有十分重要的意义。
直升机的飞行控制系统包括机械设计部分和电子控制部分。
机械设计部分主要包括主旋翼叶片、尾旋翼、机身结构等，而电子控制部分则主要包括传感器、执行器、控制器等。
其中，飞行控制系统的设计不仅需要考虑直升机的稳定性、可靠性和飞行性能等问题，还需要考虑到其复杂的结构和多变的工作环境。
本文旨在通过动态建模和仿真的方法，分析直升机飞行控制系统的工作原理和控制机理，进而提高其稳定性和可靠性，为直升机的应用提供技术支撑。
二、直升机的基本结构直升机是一种可以垂直起降的旋翼飞行器，它具有以下基本结构：（1）旋翼系统旋翼系统是直升机的主要部分，包括主旋翼和尾旋翼。
主旋翼通过旋转产生升力和推力，使直升机获得升力和前进动力。
尾旋翼主要用于平衡机身的姿态和控制机身的方向。
（2）机身结构机身结构是直升机的框架，承担着旋翼系统和发动机的重量。
机身结构的主要材料是铝合金、钛合金、复合材料等。
（3）发动机发动机是直升机的动力系统，一般采用燃气轮机或柴油机。
发动机的功率主要决定着直升机的飞行性能和载荷能力。
（4）电子控制装置电子控制装置是直升机的核心部件，主要负责控制旋翼系统的运动和控制机身的姿态。
电子控制装置包括传感器、执行器和控制器等。
三、直升机控制系统的组成直升机的控制系统由传感器、执行器和控制器三部分组成。
（1）传感器传感器是直升机控制系统的输入部分，可以测量飞机的姿态、速度、位置和加速度等参数。
传感器的主要类型包括角速度陀螺仪、加速度计、地磁传感器、气压计等。
（2）执行器执行器是直升机控制系统的输出部分，根据控制器的指令对飞机进行姿态控制和位置控制。
执行器的主要类型包括电动舵机、平衡阀、电动水平面和液压阀等。
（3）控制器控制器是直升机控制系统的核心部件，它接收传感器的信号，计算控制指令，并将其发送给执行器进行控制。
数学在飞行器设计与控制中的应用
数学在飞行器设计与控制中的应用数学是科学的基石，运用于各行各业。
在飞行器设计与控制中，数学扮演着至关重要的角色。
本文将探讨数学在飞行器设计与控制中的应用，并展示其对航空工程领域的重要性。
1. 初等数学在飞行器设计中的应用在飞行器设计初期，初等数学帮助工程师进行各项基本计算，并提供设计飞行器所需的准确数据。
比如，通过几何学知识，可以计算飞行器的体积、表面积和质心位置等。
而代数学让工程师能够解方程以确定设计参数，比如飞行器的推力和负载能力。
2. 微积分在飞行器建模与仿真中的应用在飞行器设计过程中，建模与仿真是不可或缺的一步。
微积分提供了分析与解决复杂问题的工具。
例如，通过微积分可以对飞行器的飞行动力学进行建模与仿真，以预测飞行器在不同工况下的运行状态。
微积分还可以用于优化问题，例如通过最大化飞行器的升力与最小化飞行器的阻力，提高飞行器的性能。
3. 线性代数在飞行器控制中的应用飞行器的控制系统需要使用线性代数进行模型分析与设计。
线性代数提供了一种工具，可以分析与改善飞行器的姿态控制、轨迹跟踪和稳定性。
例如，通过线性代数，可以求解控制系统的传递函数，进而设计稳定的控制器。
此外，线性代数还可用于处理飞行器的传感器数据，提高控制系统的鲁棒性。
4. 概率论与统计学在飞行器可靠性分析中的应用飞行器的可靠性是决定其成功运行的重要因素之一。
概率论与统计学提供了风险评估与可靠性分析的工具。
通过统计学，工程师可以对飞行器的失效率进行估计，并制定针对性的维护计划。
概率论可以用于分析飞行器在不同环境条件下的工作性能，并评估与飞行安全相关的风险。
5. 数值计算在飞行器性能优化中的应用为了提高飞行器的性能，数值计算方法在飞行器设计中扮演着重要角色。
数值计算方法使用数值模拟与优化算法，可对飞行器的气动特性、结构强度等进行模拟与分析。
通过数值计算，可以在短时间内获得精确的数值结果，并对飞行器进行连续改进与优化。
总结：数学在飞行器设计与控制中扮演着不可或缺的角色，从初等数学到高等数学的各个领域都在航空工程中发挥重要作用。
飞行器动力学与控制的建模与仿真
飞行器动力学与控制的建模与仿真第一章：引言飞行器是人类探索天空和实现航空运输的主要工具之一。
从飞翔能力弱的风筝，到机体巨大、载客能力强、飞行速度快的民用飞机，再到航天器等高科技飞行器，飞行器的形态和性能得到了极大的发展。
飞行器的安全性和稳定性是飞行器发展和应用的基础，因此对飞行器动力学与控制的建模和仿真具有重要的理论和实际意义。
本文将从建模和仿真的角度探讨飞行器动力学和控制领域的相关问题。
首先介绍飞行器的基础动力学原理，然后根据不同类型的飞行器进行建模和仿真。
接着从控制的角度分析飞行器的稳定性和控制方法。
最后总结本文的主要内容。
第二章：飞行器动力学建模与仿真2.1 飞行器的基础动力学原理飞行器的运动状态可以通过速度、加速度、位置和角度等参数来描述。
飞行器主要受到重力、气动力和推力等力的作用，因此其动力学建模需要考虑这些因素。
在一定范围内，飞行器的运动状态可以由牛顿运动定律来描述。
在三维空间中，飞行器任意时刻的位置可以用向量表示，速度和加速度也是空间向量。
这些向量满足向量加法和向量乘法的基本规律。
在三维空间中，它们可以分别表示为：位置向量：r=[x y z]T速度向量：v=[u v w]T加速度向量：a=[ax ay az]T2.2 垂直起降飞行器建模与仿真垂直起降飞行器的建模和仿真是当前研究的热点之一。
垂直起降飞行器通常是指可以在空中垂直升降和水平飞行的飞行器。
例如，直升机、V-22倾转旋翼机和飞行汽车等。
垂直起降飞行器的建模需要考虑其旋翼的气动力学特性、机体运动特性和受力情况等。
旋翼的气动力学特性反映了旋翼在空气中产生扭矩和升力的机理，也是垂直起降飞行器运动状态的关键因素。
通常使用叶元法等方法对其进行建模和仿真。
2.3 固定翼飞行器建模与仿真固定翼飞行器是一类受到空气动力学力作用的航空器。
通常使用空气动力学的分析方法对其进行建模。
空气动力学分析包括气动力系数和空气动力特性等。
气动力系数是描述飞机与空气流动相互作用的基本参数，空气动力特性则包括升力、阻力、舵面效应等。
动态系统建模(四旋翼飞行器仿真)实验报告-
动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告:动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告院（系）名称大飞机班学号学生姓名任课教师2021年 _月四旋翼飞行器的建模与仿真一、实验原理 I．四旋翼飞行器简介四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。
四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前、后、左、右四端，如图1-1所示。
旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。
在图1-1中，前端旋翼1 和后端旋翼3 逆时针旋转，而左端旋翼2 和右端的旋翼4 顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。
由此可知，悬停时，四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。
图1-1 四旋翼飞行器旋翼旋转方向示意图从动力学角度分析，四旋翼飞行器系统本身是不稳定的，因此，使系统稳定的控制算法的设计显得尤为关键。
由于四旋翼飞行器为六自由度的系统（三个角位移量，三个线位移量），而其控制量只有四个（4 个旋翼的转速），这就意味着被控量之间存在耦合关系。
因此，控制算法应能够对这种欠驱动（under-actuated）系统足够有效，用四个控制量对三个角位移量和三个线位移量进行稳态控制。
本实验针对四旋翼飞行器的悬浮飞行状态进行建模。
II．飞行器受力分析及运动模型（1）整体分析如图1-2所示，四旋翼飞行器所受外力和力矩为：Ø重力mg，机体受到重力沿-Zw方向Ø四个旋翼旋转所产生的升力Fi(i=1,2,3,4)，旋翼升力沿ZB方向Ø旋翼旋转会产生扭转力矩Mi (i=1,2,3,4)， Mi垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。
图1-2 四旋翼飞行器受力分析（2）电机模型Ø力模型（1.1）旋翼通过螺旋桨产生升力。
飞行仿真器导航系统建模与仿真
第18卷增刊2 系统 仿 真 学 报© V ol. 18 Suppl.22006年8月 Journal of System Simulation Aug., 2006飞行仿真器导航系统建模与仿真张红亮，龚光红，王江云（北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100083）摘 要：飞行仿真器导航系统仿真技术的研究是飞行仿真器研究开发的一个重要部分，导航系统为飞行仿真器的其他系统提供重要的相关信息，包括飞机的位置、高度、速度、加速度以及飞机当前姿态等参数。
首先研究了真实导航系统的基本原理，然后分析了导航系统在飞行仿真器中如何进行参数解算，以及如何与其它系统进行信息交互模拟真实飞行器的导航过程。
所采用的导航方式是无线电导航和惯性导航组合的方式。
关键词：飞行仿真器；导航系统；无线电导航；惯性导航中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2006) S2-0130-04Flight Simulator of Navigation System in Modeling and SimulationZHANG Hong-liang , GONG Guang-hong , WANG Jiang-Yun(School of Automation Science and Electrical Engineering, BUAA, Beijing 100083, China)Abstract : The research on the technology of navigation system plays an important role in the research and development of the flight simulator. The function of the navigation system is to provide some important information to other systems in flight simulator, such as location, altitude, velocity, acceleration and some other parameters of the airplane. Firstly, the basic principle of the navigation system was discussed. And then, in the flight simulator, the method of parameters calculation in the navigation system was proposed. The way of communicating with other systems in order to simulate the process of navigation in the real aircraft was also analyzed. The mode of combining the radio navigation and the inertial navigation in the navigation process was adopted.Key words : flight simulator; navigation system; radio navigation; inertial navigation引 言随着计算机技术的发展，仿真技术在各个方面得到越来越广泛的应用。
无人机飞行控制系统设计与仿真
无人机飞行控制系统设计与仿真近年来，无人机的应用越来越广泛，涵盖了诸多领域，包括军事、民用、航空等行业。
无人机的飞行控制系统是整个系统的核心和关键，它对飞行性能、稳定性和安全性有着重要影响。
本文将介绍无人机飞行控制系统的设计与仿真。
一、无人机飞行控制系统的基本原理无人机飞行控制系统的基本原理可概括为三个步骤：感知、决策和执行。
感知阶段利用传感器获取周围环境信息，包括飞行器的姿态、位置、速度等数据。
决策阶段根据感知到的数据，通过算法进行飞行任务规划和路径规划。
执行阶段则是将决策结果转化为控制指令，通过执行机构对飞行器进行姿态调整和运动控制。
二、无人机飞行控制系统的设计要素无人机飞行控制系统的设计要素包括飞行器动力学建模、控制器设计、传感器选择和通信系统等方面。
1. 飞行器动力学建模飞行器动力学是无人机控制的基础，对于飞行器的运动和姿态控制起到关键作用。
通过建立飞行器的运动学和动力学方程，可以模拟飞行器在不同环境下的运动响应，并为控制器设计提供基础数据。
2. 控制器设计控制器设计是无人机飞行控制系统的核心。
常见的控制器设计方法包括PID控制、模糊控制和自适应控制等。
根据飞行器的动力学特性和控制需求，选择合适的控制算法，并对控制器参数进行优化和调整，以实现稳定的飞行控制。
3. 传感器选择传感器在感知环节中起到了至关重要的作用，对于准确获取飞行器的姿态、位置和速度等数据至关重要。
常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、气压计、GPS等。
在传感器选择时，需权衡传感器的性能、成本和适用环境等因素。
4. 通信系统通信系统用于实现无人机与地面站之间的数据传输和指令控制。
无人机通常通过无线电波与地面站进行通信，传输实时的姿态、位置等数据，并接收地面站下达的飞行指令。
通信系统的可靠性和稳定性对于飞行控制的安全性和实时性至关重要。
三、无人机飞行控制系统的仿真无人机飞行控制系统的仿真是设计过程中的重要一环，它可以模拟无人机的飞行行为和控制效果，提前评估和验证控制策略的有效性。
飞行器控制系统设计与模拟
飞行器控制系统设计与模拟飞行器控制系统是航空领域中至关重要的一部分，它负责通过传感器和执行器实现对飞行器的控制和导航。
在本文中，将介绍飞行器控制系统的设计原理和模拟方法，以及在实际应用中的一些挑战和解决方案。
一、飞行器控制系统设计原理飞行器控制系统的设计原理可以分为三个主要部分：传感器、控制器和执行器。
1. 传感器传感器是飞行器系统中的关键组成部分，它通过感知环境中的物理量，并将其转化为电信号，以提供给控制器进行处理。
常见的飞行器传感器包括加速度计、陀螺仪、气压计、磁力计等。
加速度计用于测量线性加速度，可以帮助判断飞行器的姿态和运动状态；陀螺仪用于测量角速度，可以帮助判断飞行器的转动状态；气压计用于测量气压，可以帮助判断飞行器的高度；磁力计用于测量磁场强度，可以帮助判断飞行器的方向。
传感器的准确性对于飞行器的控制至关重要，因此在设计过程中需考虑噪声抑制和校准等因素。
2. 控制器控制器是飞行器控制系统的核心部分，它根据传感器提供的信息和预设的控制算法，通过计算和判断来生成相应的控制信号，以实现对飞行器的姿态和位置的控制。
常见的飞行器控制算法包括PID控制算法、状态反馈控制算法和模糊控制算法等。
PID控制算法是一种经典的控制算法，通过比较目标值和实际值的差异，根据比例、积分和微分三个参数来调整控制信号的大小。
状态反馈控制算法基于飞行器的数学模型，通过估计飞行器的状态变量并根据目标值进行调整。
模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制算法，可以应对非线性和不确定性的飞行器控制问题。
3. 执行器执行器是控制器输出的信号在物理上作用于飞行器的装置，用于操纵飞行器的姿态和位置。
常见的飞行器执行器包括电动机、伺服阀和舵面等。
电动机通常用于控制飞行器的推力和动力系统；伺服阀用于控制飞行器的液压系统，如液压舵面和液压地平线；舵面用于控制飞行器的姿态变化，如副翼、升降舵和方向舵等。
执行器的稳定性和响应速度对于飞行器的控制效果至关重要，因此在设计过程中需考虑动力和机械的匹配和协调等因素。
飞机起落架落震动力学建模及仿真分析
２０２１年４月第４９卷第８期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＡｐｒ ２０２１Ｖｏｌ ４９Ｎｏ ８ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２１ ０８ ０３０本文引用格式：齐浩，王泽河，朱华娟，等．飞机起落架落震动力学建模及仿真分析［Ｊ］．机床与液压，２０２１，４９（８）：１４１－１４６．ＱＩＨａｏ，ＷＡＮＧＺｅｈｅ，ＺＨＵＨｕａｊｕａｎ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌａｎｄｉｎｇｍｏｔｉｏｎｏｆａｉｒｃｒａｆｔｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２１，４９（８）：１４１－１４６．收稿日期：２０２０－０１－０７基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（６１６０３２１０）；中国航空科学基金会项目（２０１６０７５８００１）作者简介：齐浩（１９９５ ），男，硕士，研究方向为飞行器起降技术㊂Ｅ－ｍａｉｌ：３６５１４５９００＠ｑｑ ｃｏｍ㊂通信作者：王泽河（１９６９ ），男，博士，教授，主要研究方向为机电液一体化㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｚｈｃａｕ＠１６３ ｃｏｍ㊂飞机起落架落震动力学建模及仿真分析齐浩１，２，王泽河１，朱华娟１，朱纪洪２（１ 河北农业大学机电工程学院，河北保定０７１００１；２ 清华大学计算科学与技术系，北京１０００８４）摘要：为更加真实地模拟某无人机起落架着陆过程，对起落架进行合理设计㊂以该无人机半轴式主起落架和半摇臂式后起落架作为研究目标，分别建立包含模拟飞机等效气动升力造成载荷变化的阻尼及缓冲支柱摩擦力的主起落架落震力学分析模型；建立考虑支柱和机轮承受弯矩变形时的后起落架落震动力学分析模型㊂建立数字化样机进行联合仿真，研究其着陆动态特性㊂结果表明：该模型具有较高的准确性，所研制的起落架装置缓冲性能良好，满足设计要求，具有一定工程应用价值㊂关键词：起落架；缓冲器；落震试验；仿真分析中图分类号：Ｖ２２６ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬａｎｄｉｎｇＭｏｔｉｏｎｏｆＡｉｒｃｒａｆｔＬａｎｄｉｎｇＧｅａｒＱＩＨａｏ１，２，ＷＡＮＧＺｅｈｅ１，ＺＨＵＨｕａｊｕａｎ１，ＺＨＵＪｉｈｏｎｇ２（１ ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＢａｏｄｉｎｇＨｅｂｅｉ０７１００１，Ｃｈｉｎａ；２ ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｌａｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆａＵＡＶｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｍｏｒｅｒｅａｌｉｓｔｉｃａｌｌｙ，ｔｈｅｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｒｅａ⁃ｓｏｎａｂｌｙ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｓｅｍｉ－ａｘｌｅｍａｉｎｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒａｎｄｓｅｍｉ－ｓｗｉｎｇａｒｍｒｅａｒｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｏｆｔｈｅＵＡＶａｓｒｅｓｅａｒｃｈｔａｒｇｅｔｓ，ａｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍａｉｎｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｄｄａｍｐｉｎｇａｎｄｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇｓｔｒｕｔｆｒｉｃｔｉｏｎｔｈａｔｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｉｎｌｏａｄｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｌｉｆｔｏｆｔｈｅＵＡＶ；ｔｈｅｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｂｅｎ⁃ｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｉｌｌａｒａｎｄｔｈｅｗｈｅｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｄｉｇｉｔａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｂｕｉｌｔｆｏｒｊｏｉｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｌａｎｄｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｅｌｈａｓｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｄｅｖｉｃｅｈａｓｇｏｏｄｂｕｆｆｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｔｍｅｅｔｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎｄｈａｓｃｅｒｔａｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒ；Ｂｕｆｆｅｒ；Ｄｒｏｐｔｅｓｔ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ０㊀前言起落架是飞行器重要的部件之一，飞行器起降及地面滑跑等高事故率阶段的功能实现均需要起落架发挥功效［１］，因此需对起落架进行合理的设计以保障飞行器的安全起降［２］㊂美军将全机落震试验作为现代飞行器设计制造过程中必经的流程之一，并对如Ａ⁃７㊁Ｆ⁃８㊁Ｆ⁃３５等多款型号在装飞机进行了全机落震试验㊂然而作为大型动态试验，由于其试验规模及技术壁垒，全世界仅美国有能力独立进行全机落震试验，国内学者在全机着陆载荷和动态响应预计方面，大多针对目标飞行器特点进行理论研究［３－６］㊂本文作者针对某无人机机型的起落架系统，在经典二质量块起落架落震微分方程的基础上建立更加真实模拟起落架落震运动过程的动力学模型［７－９］，并将ＣＡＴＩＡ中建立的起落架ＣＡＤ模型导入到ＡＤＡＭＳ中进行落震动力学仿真㊂㊀图１㊀某型飞机主起落架ＣＡＤ模型１㊀飞机主起落架虚拟样机ＣＡＤ建模根据目标机型全机设计要求，在符合布局㊁收放㊁承载等设计要求的基础上完成了主起落架的零部件设计，主起落架ＣＡＤ模型如图１所示㊂２ 飞机主起落架落震动力学建模文中目标机型采用后三点式起落架布局，主起落架需要承载总载荷的８０％ ９５％㊂为了真实模拟主起落架着陆撞击时机体的动力学特性，可以以三质量块等效模型为基础进行建模，模型受力示意如图２所示㊂图２中从下至上，分为机轮轮胎模型㊁缓冲支柱㊁缓冲器油缸及顶端用于模拟飞机等效气动升力造成载荷变化的阻尼活塞模型四部分㊂其中，Ｐｗ为机轮轮胎的压缩力；Ｐｓｈ为缓冲支柱的轴向力；Ｐｆｒ为缓冲器的摩擦力；Ｐｄ为阻尼活塞中的等效气动升力㊂机轮轮胎气动压力的表达式为Ｐ１ｗ＝０Ｐｗ０éëêêêùûúúú㊀㊀Ｐｗ（δ）＝ｋδ（１－δ／δｍａｘ）α其中：ｋ是轮胎的刚度；δ是气动压缩率；δｍａｘ是最大气动压缩率；α是考虑气动非线性的压缩系数，α＝０ ０ ５㊂缓冲支柱结构如图３所示，则缓冲支柱中的轴向力的表达式为Ｐ２ｓｈ＝Ｐ（ｘ）ｓｈＰ（ｙ）ｓｈｘｐｒ２Ｐ（ｙ）ｓｈ－ｙｐｒ２Ｐ（ｘ）ｓｈéëêêêêùûúúúúＰ３ｓｈ＝－Ｐ（ｘ）ｓｈ－Ｐ（ｙ）ｓｈ－ｘｐｒ３Ｐ（ｙ）ｓｈ＋ｙｐｒ３Ｐ（ｘ）ｓｈéëêêêêùûúúúúＰ（ｘ）ｓｈＰ（ｙ）ｓｈéëêêùûúú＝Ｐｓｈ（ｓ，ｓᶄ）ｌ㊀㊀ｌ＝ｒＰ２－ｒＰ３其中：Ｐｓｈ是缓冲器中轴向力的大小；ｌ是连接缓冲器施加力的两个点之间的距离；ｓ是缓冲器负载状态的压缩变形量，ｓ＝ｌ０－ｌ；ｌ０是无负载工作状态下缓冲器的行程；ｓᶄ是有负载工作条件下，缓冲器的行程变化加速度㊂图２㊀某型飞机主起落架㊀图３㊀某型飞机主起落架㊀㊀受力分析示意缓冲支柱剖面图减震器中的轴向力Ｐｓｈ的大小由下式确定：Ｐｓｈ（ｓ，ｓᶄ）＝［１＋μｓｇｎ（ｓᶄ）］ｐ１Ｆ＋ζｐρＦ３（ｓᶄ）２２ｆ２ｐ＋ζｓρＦ３３（ｓᶄ）２２ｆ２ｓ－Ｐｕｎｌｏａｄ（ｓ）其中：Ｆ是缓冲支柱的活塞杆推力；Ｆ３是回油腔（腔室３）的横截面面积；μ是缓冲器外筒内壁与活塞杆外壁间的摩擦因数；ｆｐ是空气腔（腔室１）和油液腔（腔室２）之间的油孔面积；ｆｓ是回油腔和空气腔之间的回油孔２的面积；ζｐ＝２㊁ζｓ＝１ ７分别是回油腔和空气腔㊁油液腔之间的节流流体流动的阻力系数；ρ是缓冲器腔体油液密度；Ｐｕｎｌｏａｄ是模拟飞机等效气动升力的阻尼活塞中的弹簧力；ｐ１是空气腔中的气压，计算公式为ｐ１＝ｐ０１／１－ｓＦ／Ω０１()χ其中：ｐ０１是空气腔内的初始压力；Ω０１是空气腔的初始体积；χ１是气体多变指数㊂可以根据以下方程，通过控制油液腔和空气腔之间的调节油针的截面积来调控缓冲器的压缩：ｆｖζｐρＦ３（ｓᶄ）２ｓｇｎ（ｓᶄ）２ｆ２ｐ－ｓｖＣｓｐｒ－Ｐｓｐｒ０＝０；ｆｐ＝ｆｐ１＋ｆｐ２其中：ｆｖ是有效压油面积；ｓｖ是调节油针行程；Ｃｓｐｒ是缓冲支柱空气弹簧刚度；Ｐｓｐｒ０是空气弹簧预压力；ｆｐ１是回油腔和空气腔之间主油孔的面积；ｆｐ２是回油腔和空气腔之间边油孔的面积㊂依据局部压力损失理论，油液阻尼器中的力为Ｐ４ｄ＝０Ｐｄ０éëêêêùûúúú㊀㊀Ｐｄ（ｓ，ｓᶄ）＝２１＋μｄｓｇｎ（ｓᶄ）[]Ｆｄｐｄ０１－ｈＦｄΩｄ０æèçöø÷χ其中：Ｆｄ是阻尼器的活塞面积；μｄ是阻尼器的摩擦因数；ｐｄ０是缓冲器油液腔的初始压力；Ωｄ０是缓冲器油液腔的初始体积；χｄ是气体多变指数㊂缓冲器中由于滑动产生的摩擦力为Ｐ３ｆｒ＝０Ｐｆｒ０éëêêêùûúúú㊀㊀Ｐｆｒ＝Ｐｆｒ０＋ｋＰｙ()ｓｇｎ（ｈᶄ）其中：Ｐｆｒ０是摩擦力的恒定分量；Ｐｙ是起落架施加在落震支架上的力；ｋ是起落架与落震支架存在倾斜条件下摩擦因数的大小㊂运动方程如下：Ｍａ－Ｆ－ＪＴλ＝０㊂其中：ａ是加速度矢量；Ｍ是对角质量矩阵㊂Ｍ＝Ｍ１００００Ｍ２００００Ｍ３００００Ｍ４éëêêêêêùûúúúúú＝ｍｉ０００ｍｉ０００Ｉｉéëêêêêùûúúúú㊃２４１㊃机床与液压第４９卷其中：Ｉｉ是第ｉ个物体的惯性矩㊂３㊀飞机后起落架虚拟样机ＣＡＤ建模根据总机设计需要，尾翼整体分为两部分，腹鳍部分与机身连接，另一部分通过一根长轴与机身连接，对称分布在机身两侧，该部分尾翼相对机身可在俯仰方向旋转，转动角度为０ʎ ９０ʎ㊂考虑到纵向静稳定性㊁气动效率及飞机的轻量化设计，该机腹鳍采用全动腹鳍，位于后机身腹部，地面滑行与巡航飞行时通过舵机驱动全动腹鳍偏转，同时根据小型化设计原则，将后起落架安装在腹鳍内，其缓冲支柱与腹鳍主轴同轴，后起落架类型选择摇臂式起落架，其ＣＡＤ模型如图４所示㊂图４㊀某型飞机后起落架虚拟样机ＣＡＤ模型４㊀飞机后起落架动力学建模依据摇臂式起落架的结构特点，侧向载荷对缓冲支柱的影响很小，几乎可忽略不计，并且落震过程中，侧向载荷常依据垂直载荷进行推导，故而文中建立的如图５所示的摇臂式后起落架力学模型中未将侧向载荷列入考虑范畴，以简化计算模型㊂图５㊀某型飞机后起落架计算模型计算模型基于经典二质量块模型，质量ｍｄ分为两部分，一部分为包括飞机机体及与机体固连的起落架质量的弹性支撑质量ｍｓ；另一部分为包括起落架摇臂质量ｍｐ及以轮轴为中心的机轮质量ｍｋ的非弹性支撑质量ｍ㊂模型中升力Ｙ和阻力Ｘ为固定常数值，则有：Ｙ＝Ｌ（ｍｓ＋ｍｐ＋ｍｋ）Ｘ＝Ｃｘ／Ｃｙ（ｍｓ＋ｍｐ＋ｍｋ）Ｌ其中：Ｃｘ／Ｃｙ表示飞机的升阻比㊂模型中忽略了空气阻力㊁飞机机身横向偏转运动及机轮阻尼特性，同时假设油液不可压缩㊂在上述计算模型中，可以认为缓冲支柱在压缩过程中只进行平移运动，飞机着陆瞬间及向后时刻，缓冲支柱和机轮开始压缩，则弹性支撑质量ｍｓ和非弹性支撑质量ｍｐ和ｍｋ之间的运动学关系如下：ｘ０＝０ｙ０＝０ｚ０＝０ìîíïïï；ｘ１＝０ｙ１＝ｙ１０ｚ１＝ｚ１０ìîíïïï；ｘ２＝ｘ２０－Δｘｙ２＝ｙ２０－Δｙｚ２＝ｚ２０－Δｚìîíïïï；ｘ３＝ｒ１３ｓｉｎ（ϕ＋ϕ０＋Δϕ）ｙ３＝ｙ１０＋ｒ１３ｃｏｓ（ϕ＋ϕ０＋Δϕ）ｚ３＝ｚ３０－Δｚ＝ｚ３０＋ｚｍìîíïïï式中：Δｘ＝ｘｍｓ－ｘｍｋ；Δｙ＝ｙｍｓ－ｙｍｋ；Δｚ＝ｚｍｓ－ｚｍｋ＝－ｚｍ㊂又ϕ＋ϕ０＝ａｒｃｃｏｓｙ２－ｙ１０ｒ１２，θ＝ａｒｃｔａｎｘ３ｙ３，令：ａ＝ｒ１２ｓｉｎ（ϕ＋ϕ０）ｂ＝ｒ１２ｃｏｓ（ϕ＋ϕ０）{推导得到：ｘｍｓ＝ｘｍｋ＋ｘ２０－ａｙｍｓ＝ｙｍｋ＋ｙ２０－ｙ１０－ｂ{ｘ㊃ｍｓ＝ｘ㊃ｍｋ－ｂϕ㊃ｙ㊃ｍｓ＝ｙ㊃ｍｋ＋ａϕ㊃{ｘ㊃㊃ｍｓ＝ｘ㊃㊃ｍｋ＋ａϕ㊃２－ｂϕ㊃㊃ｙ㊃㊃ｍｓ＝ｙ㊃㊃ｍｋ＋ｂϕ㊃２＋ａϕ㊃㊃{同理：ｘ４＝ｘ４０－Δｘᶄｙ４＝ｙ４０－Δｙᶄｚ４＝ｚ４０－Δｚᶄìîíïïï令Δｘᶄ＝ｘｍｓ－ｘｐ，Δｙᶄ＝ｙｍｓ－ｙｐ，Δｚᶄ＝ｚｍｓ－ｚｐｘ４＝ｒ１４ｓｉｎ（ϕ＋ϕ０）ｙ４＝ｙ１０＋ｒ１４ｃｏｓ（ϕ＋ϕ０）ｚ４＝ｚ４０－Δｚ＝ｚ４０＋ｚｐìîíïïï设：ｑ＝ｒ１４ｓｉｎ（ϕ＋ϕ０）ω＝ｒ１４ｃｏｓ（ϕ＋ϕ０）{则得：ｘｐ＝ｘｍｋ＋ｘ４０－ａｙｐ＝ｙｍｋ＋ｙ４０－ｙ１０－ω{ｘ㊃ｐ＝ｘ㊃ｍｋ－（ω＋ｂ）ϕ㊃ｙ㊃ｐ＝ｙ㊃ｍｋ＋（ａ＋ｑ）ϕ㊃{ｘ㊃㊃ｐ＝ｘ㊃㊃ｍｋ＋（ａ＋ｑ）ϕ㊃２－（ω＋ｂ）ϕ㊃㊃ｙ㊃㊃ｐ＝ｙ㊃㊃ｍｋ＋（ω＋ｂ）ϕ㊃２＋（ａ＋ｑ）ϕ㊃㊃㊃３４１㊃第８期齐浩等：飞机起落架落震动力学建模及仿真分析㊀㊀㊀式中：ｙｍｋ＝Ｄ／２－δ；（ｘ０，ｙ０，ｚ０）为点０坐标；（ｘ１，ｙ１，ｚ１）为点１坐标，初始坐标为（０，ｙ１０，ｚ１０）；（ｘ２，ｙ２，ｚ２）为点２坐标，初始坐标为（ｘ２０，ｙ２０，ｚ２０）；（ｘ３，ｙ３，ｚ３）为点３坐标，初始坐标为（ｘ３０，ｙ３０，ｚ３０）；（ｘ４，ｙ４，ｚ４）为点４坐标，初始坐标为（ｘ４０，ｙ４０，ｚ４０）；ｘｍｓ㊁ｙｍｓ㊁ｚｍｓ，ｘｍｋ㊁ｙｍｋ㊁ｚｍｋ和ｘｐ㊁ｙｐ㊁ｚｐ分别为弹性支撑质量㊁机轮质量和非弹性支撑质量在三坐标系方向的位移；δ为机轮垂直方向受载压缩量；Ｄ为机轮直径；ϕ０为摇臂与ｙ轴夹角；ϕ为摇臂转动角大小㊂则缓冲支柱在压缩过程中的瞬时长度为Ｌ＝ｘ２３＋ｙ２３＋ｚ２３缓冲支柱行程为ｕ＝Ｌ０－Ｌ式中：Ｌ０为缓冲支柱全伸长长度㊂由此可推导得到缓冲支柱压缩过程中的运动速度为ｕ㊃＝ｙ１０ｘ３Ｌϕ㊃－ｚ３０＋ｚｍｋＬｚ㊃ｍｋ当考虑支柱和机轮承受弯矩变形时如图６所示㊂图６㊀增加考虑因素后的某型飞机后起落架计算模型起转阶段运动方程：（１）两质量块同步运动阶段，只有机轮受载压缩，则：Ｙ㊃㊃ｍｓ＝Ｙ㊃㊃ｍｐ＝Ｙ㊃㊃ｍｋ＝－ｇ＋（Ｌ＋ｖ）（ｍｓ＋ｍｐ＋ｍｋ）摇臂水平加速度：Ｘ㊃㊃ｍｐ＝［－Ｆ１ｘ＋Ｆｓｓｉｎ（φ－ϕ）＋Ｆ２ｘ］／ｍｐ机轮水平加速度：Ｘ㊃㊃２＝（－Ｆ２ｘ＋Ｄ）／ｍ２机轮角加速度：ω㊃＝（Ｒ－δ）Ｄ／Ｉｍ机轮水平滑移速度：ε㊃ｘ＝－ｘ㊃ｍ２＋（Ｒ－δ／３）ω－－ｖｘ缓冲器行程：ｓ＝（－Ｙ２＋Ｙ４）／ｃｏｓϕ＋ｓ０缓冲器速度：ｓ㊃＝（－Ｙ㊃２＋Ｙ㊃４）ｃｏｓϕ（２）缓冲器开始压缩阶段，机轮继续承载压缩，则弹性质量的垂直加速度：Ｙ㊃ｍｓ＝（－Ｍｇ＋Ｌ＋Ｆ１ｙ）／ｍｓ摇臂的垂直加速度：Ｙ㊃㊃ｍｐ＝［－ｍｐｇ＋Ｆ２ｙ－Ｆｓｃｏｓ（φ－ϕ）－Ｆ１ｙ］／ｍｐ机轮的垂直加速度：Ｙ㊃㊃ｍｋ＝（－Ｆ２ｙ＋ｖ）／ｍｋ摇臂的水平加速度：Ｘ㊃㊃ｍｐ＝［Ｆｓｓｉｎ（φ－ϕ）－Ｆ１ｘ＋Ｆ２ｘ］／ｍｐ摇臂的角加速度：ω㊃ｙｂ＝ｄ２γｄｔ２＝［（Ｆ１ｙｓｉｎγ＋Ｆ１ｘｃｏｓγ）Ｌ２＋（Ｆ２ｙｓｉｎγ＋Ｆ２ｘｃｏｓγ）Ｌ１］／Ｉ２此时ω㊃和ε㊃ｘ同起转阶段相比未产生变化㊂回弹阶段系统运动方程：当ε㊃ｘ＝－ｘ㊃ｍ＋（Ｒ－δ／３）ω－－ｖｘ＝０时起转阶段结束，回弹阶段开始，由于Ｒ０的数值与δ／３相差较大，故将Ｒ－δ（ｔ＋Δｔ）／３约等于Ｒ－δ（ｔ）／３以方便计算，因此可得Ｙ㊃ｍｓ㊁Ｙ㊃㊃ｍｐ以及Ｙ㊃㊃ｍｋ与缓冲器压缩阶段相同㊂机轮的水平加速度：Ｘ㊃㊃ｍｋ＝－Ｆ２ｘ（Ｒ－δ／３）（Ｒ－δ）Ｉｍｋ＋ｍｋ（Ｒ－δ／３）（Ｒ－δ）机轮的旋转角加速度：ω㊃＝－Ｆ２ｘ（Ｒ－δ）Ｉｍ＋ｍｋ（Ｒ－δ／３）（Ｒ－δ）此时，Ｘ㊃㊃ｍｐ和Ｙ㊃㊃ｍｐ同起转阶段相比未产生变化㊂结束条件：缓冲器速度ｓ㊃＝０㊂求解滑跑运动方程时令着陆时起转阶段公式中ϕ＝０㊂５ 飞机着陆动态特性分析首先，在理想条件下，以主起落架机轮落地接触为过程分界，对飞机进行如图７所示的对称着陆动态特性分析，在主起落架两点接地过程时有：ｍｚ㊃㊃＝－２Ｆｓｚｃｏｓα＋Ｗ；Ｉｙω㊃飞＝－２ｂＦｓｚ式中：ｚ㊃㊃为飞机下沉加速度；Ｆｓｚ为缓冲支柱的支反力；α为飞机攻角；Ｗ为飞机等效重力；Ｉｙ为飞机俯仰转动惯量；ω㊃飞为飞机俯仰运动加速度；ｂ为主起落架到飞机重心的纵向距离㊂图７㊀飞机对称着陆主起落架接地时刻轴侧视图㊃４４１㊃机床与液压第４９卷主起落架与机体固连位置加速度：ｚ㊃㊃ｚ＝ｚ㊃㊃＋ｂω㊃飞＝－２Ｆｓｚｍｃｏｓα＋ｍｂ２Ｉｙæèçöø÷＋Ｗｍ（１）当将主起落架看作独立系统进行分析时：ｚ㊃㊃ｚ＝－Ｆｓｚｍ＋Ｗｚｍｚ（２）式中：Ｗｚ为将主起落架看作独立系统飞机的等效重力；ｍｚ为主起落架所承受的当量质量㊂当满足下面２个条件时，式（１）与式（２）相符：ｍｚ＝ｍ２㊃ｉ２ｙｂ２＋ｉ２ｙｃｏｓα㊀㊀㊀Ｗｚ＝Ｗ２㊃ｉ２ｙｂ２＋ｉ２ｙｃｏｓα式中：ｉｙ为飞机的转动半径，ｉｙ＝Ｉｙ／ｍ㊂第二阶段为在后起落架机轮落地接触后，飞机后起落架与机体固连位置加速度为ｚ㊃㊃ｈ＝ｚ㊃㊃＋ａω㊃飞式中：ａ是后起落架到飞机重心的纵向距离㊂三点接地后：ｍｚ㊃㊃＝－２Ｆｓｚｃｏｓα－２Ｆｓｈｃｏｓα＋ＷＩｙω㊃飞＝－２Ｆｓｚｂ＋Ｆｓｈａ式中：Ｆｓｈ为飞机后起落架缓冲器的支反力㊂则后起落架与机体固连位置加速度为ｚ㊃㊃ｈ＝－２Ｆｓｚｍｃｏｓα＋ａｂｉ２ｙæèçöø÷－Ｆｓｎｍｃｏｓα＋ａｂｉ２ｙæèçöø÷＋Ｗｍ然而在真实飞行状态下，飞机着陆往往是非对称着陆㊂非对称着陆情况下，飞机首先由单点接地，如图８㊁图９所示㊂此时，为单主轮接地阶段，则有：ｍｚ㊃㊃＝－Ｆｓｚ１ｃｏｓβｃｏｓα＋ＷＩｙω㊃飞ｙ＝－ｂＦｓｚ１ｃｏｓβＩｘω㊃飞ｘ＝－ｃＦｓｚ１ｃｏｓα式中：Ｉｘ为飞机滚转转动惯量；β为滚转角；ω㊃飞ｙ和ω㊃飞ｘ分别为飞机俯仰和滚转运动的角加速度；ｃ为主起落架到重心的展向距离㊂则先接地的主起落架与机体固连位置加速度为ｚ㊃㊃ｚ１＝ｚ㊃㊃＋ｂω㊃飞ｙ＋ｃω㊃ｘｚ㊃㊃ｚ１＝－Ｆｓｚ１ｍｃｏｓβｃｏｓα＋ｂ２ｉ２ｙｃｏｓβ＋ｃ２ｉ２ｘｃｏｓαæèçöø÷令：Ｗｚ１＝Ｗｍｚ１ｍｍｚ１＝ｍｃｏｓβｃｏｓα＋ｂ２ｉ２ｙｃｏｓβ＋ｃ２ｉ２ｘｃｏｓα图８㊀飞机非对称着陆单个主起落架接地时刻正视图图９㊀飞机非对称着陆单个主起落架接地时刻侧视图后触地的主起落架与机体固连位置加速度：ｚ㊃㊃ｚ２＝－Ｆｓｚ１ｍｃｏｓβｃｏｓα＋ｂ２ｉ２ｙｃｏｓβ－ｃ２ｉ２ｘｃｏｓαæèçöø÷＋Ｗｍ当另一侧的主起落架机轮触地后，有：ｍｚ㊃㊃＝－（Ｆｓｚ１＋Ｆｓｚ２）ｃｏｓβｃｏｓα＋ＷＩｙω㊃飞ｙ＝－ｂ（Ｆｓｚ１＋Ｆｓｚ２）ｃｏｓβＩｘω㊃飞ｘ＝ｃ（－Ｆｓｚ１＋Ｆｓｚ２）ｃｏｓα式中：Ｆｓｚ２为后触地主起落架缓冲器的支反力㊂此时两侧主起落架与机体固连位置加速度分别为ｚ㊃㊃ｚ１＝－Ｆｓｚ１ｍｃｏｓβｃｏｓα＋ｂ２ｉ２ｙｃｏｓβ＋ｃ２ｉ２ｘｃｏｓαæèçöø÷－Ｆｓｚ２ｍｃｏｓβｃｏｓα＋ｂ２ｉ２ｙｃｏｓβ－ｃ２ｉ２ｘｃｏｓαæèçöø÷＋Ｗｍｚ㊃㊃ｚ２＝－Ｆｓｚ１ｍｃｏｓβｃｏｓα＋ｂ２ｉ２ｙｃｏｓβ－ｃ２ｉ２ｘｃｏｓαæèçöø÷－Ｆｓｚ２ｍｃｏｓβｃｏｓα＋ｂ２ｉ２ｙｃｏｓβ＋ｃ２ｉ２ｘｃｏｓαæèçöø÷＋Ｗｍ通过如图１０（ａ）所示的虚拟样机数字仿真求得飞机的下沉速度，取整为３ｍ／ｓ㊂㊃５４１㊃第８期齐浩等：飞机起落架落震动力学建模及仿真分析㊀㊀㊀图１０㊀飞机下沉速度仿真及结果文中目标机型采用后三点式起落架，主起落架承载远大于后起落架，因此仅对主起落架进行落震仿真试验，得到如图１１㊁１２所示的落震结果参数㊂图１１㊀主起落架缓冲器行程及压缩速度曲线图１２㊀主起落架缓冲器功量图将起落架落震仿真结果与全机非对称着陆时主起落架着陆仿真结果进行数据处理，得到如图１３㊁１４所示的验证对比曲线，对比结果表明：主起落架的动态响应吻合较好，表明文中所建立的飞机主起落架落震动力学模型符合要求㊂图１３㊀主起落架缓冲器功㊀㊀图１４㊀主起落架缓冲器行程量验证对比曲线和时间验证对比曲线６㊀结论本文作者在所建立的包含模拟飞机等效气动升力造成载荷变化的阻尼及缓冲支柱摩擦力的起落架落震动力学模型和虚拟样机ＣＡＤ模型的基础上，基于刚性简化的机身模型，进行了目标机型起落架系统的落震仿真试验，验证了在着陆过程中起落架系统吸收功量㊁过载和使用行程等参数满足设计要求㊂通过对目标机型全机身非对称着陆性能动力学分析，验证了该数字化虚拟样机可以较准确地模拟目标机型起落架着陆过程的动态响应，证明了研究手段的可行性及建模方式的准确性，文中所述方法可以应用到其他类型飞机的起落架系统仿真分析中㊂参考文献：［１］何磊．歼⁃１５舰载机起落架动力学仿真分析与试验研究［Ｄ］．沈阳：沈阳航空航天大学，２０１７．ＨＥＬ．ＤｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｆｌｙｉｎｇｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｏｆＪ⁃１５ｃａｒｒｉｅｒ［Ｄ］．Ｓｈｅｎｙａｎｇ：Ｓｈｅｎｙ⁃ａｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１７．［２］窦炳耀，雷武涛，王维军．面向方案设计的倾转旋翼飞机短距起飞性能［Ｊ］．科学技术与工程，２０１９，１９（７）：２７３－２７７．ＤＯＵＢＹ，ＬＥＩＷＴ，ＷＡＮＧＷＪ．Ｓｈｏｒｔｔａｋｅ⁃ｏｆｆｐｅｒｆｏｒｍ⁃ａｎｃｅｏｆｔｉｌｔ⁃ｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔｄｕｒｉｎｇｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｓｔａｇｅ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１９，１９（７）：２７３－２７７．［３］张沈瞳，黄喜平．基于虚拟样机技术的典型民用飞机起落架多体动力学联合仿真［Ｊ］．机床与液压，２０１７，４５（１３）：１４６－１５１．ＺＨＡＮＧＳＴ，ＨＵＡＮＧＸＰ．Ｃｏ⁃ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ⁃ｄｙｎａｍｉｃｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｓｙｓｔｅｍｏｆｔｙｐｉｃａｌｃｉｖｉｌａｉｒｃｒａｆｔｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１７，４５（１３）：１４６－１５１．［４］印寅，聂宏，魏小辉，等．多因素影响下的起落架收放系统性能分析［Ｊ］．北京航空航天大学学报，２０１５，４１（５）：９５３－９６０．ＹＩＮＹ，ＮＩＥＨ，ＷＥＩＸＨ，ｅｔａｌ．Ｒｅｔｒａｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍ⁃ａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｗｉｔｈｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｆａｃｔｏｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２０１５，４１（５）：９５３－９６０．［５］魏小辉，聂宏．基于降落区概念的飞机起落架着陆动力学分析［Ｊ］．航空学报，２００５，２６（１）：８－１２．ＷＥＩＸＨ，ＮＩＥＨ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌａｎｄｉｎｇｉｍｐａｃｔｆｏｒｃｅｏｆａｉｒｃｒａｆｔｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｏｆｌａｎｄｉｎｇａｅｒａ［Ｊ］．ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２００５，２６（１）：８－１２．［６］ＮａｖａｌＡｉｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒ．Ａｉｒｐｌａｎｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｒｉｇｉｄ⁃ｉｔｙ，ｇｒｏｕｎｄｌｏａｄｓｆｏｒｃａｒｒｉｅｒ⁃ｂａｓｅｄａｉｒｃｒａｆｔ：ＭＩＬ－Ａ－８８６３（ＡＳＧ）［Ｓ］，１９６０．［７］姚念奎，周栋．固定翼舰载机的全机落震试验［Ｊ］．飞机设计，２０１４，３４（４）：３１－３６．ＹＡＯＮＫ，ＺＨＯＵＤ．Ｆｕｌｌ⁃ｓｃａｌｅｄｒｏｐｔｅｓｔｏｆｆｉｘｅｄ⁃ｗｉｎｇｃａｒｒｉ⁃ｅｒ⁃ｂａｓｅｄａｉｒｃｒａｆｔ［Ｊ］．ＡｉｒｃｒａｆｔＤｅｓｉｇｎ，２０１４，３４（４）：３１－３６．［８］郝现伟，李铎，魏双成，等．摇臂式起落架无人机地面滑跑数学模型与仿真［Ｊ］．电光与控制，２０１９，２６（６）：２７－３３．ＨＡＯＸＷ，ＬＩＤ，ＷＥＩＳＣ，ｅｔａｌ．ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔａｘｉｉｎｇｏｆＵＡＶｓｗｉｔｈａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＯｐｔｉｃｓ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１９，２６（６）：２７－３３．［９］周蜜，周斌．基于ＡＤＡＭＳ／Ａｉｒｃｒａｆｔ的摇臂式起落架落震动力学仿真分析［Ｊ］．科技广场，２０１６（３）：６４－６７．ＺＨＯＵＭ，ＺＨＯＵＢ．ＤｙｎａｍｉｃｄｒｏｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒｂａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳ／Ａｉｒｃｒａｆｔ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅＭｏｓａｉｃ，２０１６（３）：６４－６７．（责任编辑：张楠）㊃６４１㊃机床与液压第４９卷。
飞行器动力学模型及其控制技术研究
飞行器动力学模型及其控制技术研究随着航空工业的不断发展，各种飞行器的动力学模型和控制技术也逐渐成熟。
在飞行器的研制和运行中，动力学模型和控制技术是相辅相成的不可分割的两个部分，其中动力学模型是建立在飞行器结构、力学和传动系统的基础上，控制技术可以对动力学模型进行调节，控制飞行器的运行。
一、飞行器的动力学模型飞行器动力学模型是建立在飞行器的结构、力学和传动系统的基础上的一种数学模型。
动力学模型通过对飞行器的物理特性进行描述，能够帮助工程师分析和预测飞行器的行为和性能。
飞行器的动力学模型主要包括飞行器的机械模型、动力学模型以及控制系统模型。
机械模型是飞行器的物理结构模型，它描述了飞行器的尺寸、重量、几何形状和机械特性等参数。
这些参数对于分析飞行器的动力学模型和设计飞行器的控制系统非常重要。
通常，机械模型是通过使用计算机辅助设计软件进行建立的。
动力学模型描述了飞行器的物理特性，包括飞行器的速度、加速度、角速度、角加速度以及空气动力学特性等。
它可以帮助工程师预测飞行器的运动状态，并且可以用于优化飞行器的设计。
控制系统模型是飞行器控制系统的数学模型。
它描述了控制器的输入输出关系以及控制器的动态性能。
控制器的性能和动态响应对于飞行器控制系统的稳定性和性能至关重要。
二、飞行器的控制技术控制技术是用于调节飞行器动力学模型的一种技术。
控制技术可以使得飞行器的运动状态达到预期的目标状态。
常见的控制技术包括PID控制器、模型预测控制、自适应控制以及神经网络控制等。
PID控制器是最为经典的控制器之一，它通过调节误差、比例项、积分项以及微分项等参数，使得控制器的输出达到期望值。
PID控制器在大多数场合下都表现出较好的性能，也是现代控制领域最为常见的控制器。
模型预测控制是一种基于模型的控制技术，它通过优化控制器的输出，使得控制器的行为更符合动力学模型和控制系统的要求。
模型预测控制在运动控制、路径规划和领航等方面有着广泛的应用。
飞行器动力学建模与仿真
精选课件
10
基础知识要求
牛顿力学基础； 高等数学初步； 数值计算方法； 自动控制原理； 现代控制理论部分知识； Matlab与C语言；
精选课件
11
涉及到的主要知识点
关于受力分析的基本直觉和一些基本概念(得到的 设计结果都从最直观的地方思考下是否合理)；
泰勒展开(抓住主要矛盾的最基本手段)； 数值求解微分方程组(描述一个对象)； 根轨迹、稳定裕度(工程师的吃饭家伙)与描述函
精选课件
29
制导、导航与控制(GNC)
制导(Guidance)：规划出一条航行轨迹； 导航(Navigation)：测量飞行器的实际姿态
与位置； 控制(Control)：操纵飞行器沿着规划好的
航行轨迹运动。
对应于标准的反馈控制框图，GNC分别对应于哪些元素？
精选课件
30
历史发展
1936年，德国开始进行“制导火箭”研究工程。 著名的V1和V2导弹，是现代制导武器的鼻祖，地地导弹。
在我国以飞行器为研制主体的航空航天在我国以飞行器为研制主体的航空航天领域是目前国内少有的独立进行完全控制领域是目前国内少有的独立进行完全控制系统设计的单位经过多年的不断完善系统设计的单位经过多年的不断完善这一条流水线上培养的控制工程师经过了这一条流水线上培养的控制工程师经过了系统而严格的训练不仅在控制领域具有系统而严格的训练不仅在控制领域具有丰富的经验而且控制工程师也是培养总丰富的经验而且控制工程师也是培养总设计师最多的分系统专业因为这个专业设计师最多的分系统专业因为这个专业需要全面系统的分析和理解问题
数等频域知识；
*状态观测器的设计； *数值逼近与非线性规划的思想； Matlab中主要基本控制分析函数的使用； 熟练使用C或者C++语言；
飞行器动力学建模及仿真研究
飞行器动力学建模及仿真研究第一部分：引言飞行器动力学建模及仿真研究，是一个经过多年发展的学科，在航空、航天等各个领域都得到了广泛的应用。
本文将介绍飞行器动力学的基本概念和模型，并介绍如何使用仿真技术研究飞行器动力学。
第二部分：飞行器动力学基本概念飞行器动力学是研究飞行器在空气中运动规律和稳定性的学科。
飞行器动力学主要包括力学、偏微分方程、控制论、计算机科学等方面，因此需要涉及很多复杂的数学知识。
为了方便研究，一般使用三自由度模型（俯仰、偏航、滚转）或六自由度模型（三个方向的平动和三个方向的旋转）来描述飞行器的运动状态。
1、直升机直升机能够实现垂直起降和空中悬停，但它的特殊结构和复杂动力学使得它在空气中的运动规律更加复杂。
直升机的动力学主要包括旋翼理论、轴动力平衡、车体运动稳定等方面。
2、飞行器飞行器（包括飞机和导弹）的动力学主要涉及飞行器的气动性能、动力装置、重心位置、控制系统等方面。
为了控制飞行器的运动状态，需要对其进行动态建模，并在仿真中进行测试。
第三部分：飞行器动力学建模为了进行仿真研究，需要对飞行器进行动力学建模。
动力学建模是指通过数学方程和计算机模型来描述飞行器运动状态和运动规律的过程。
正确的动力学建模可以帮助研究人员更好地理解飞行器的运动规律，为控制系统设计提供参考。
1、直升机模型直升机的动力学模型有风洞模型和非定常气动模型两种。
风洞模型主要用于研究直升机的稳定性和控制问题，而非定常气动模型则更加贴近实际情况，可用于直升机飞行状态的仿真和模拟研究。
2、飞行器模型飞行器的动力学模型有基于欧拉角的模型和基于四元数的模型两种。
欧拉角模型可以更好地理解飞行器的姿态调节和控制，而四元数模型则更加精确和高效，可以减少计算负担。
第四部分：仿真技术在飞行器动力学中的应用仿真是一种模仿复杂系统行为的工具，可以模拟飞行器在真实环境中的运动规律和稳定性。
针对不同的问题，可以使用不同的仿真方法，如基于统计、神经网络等方法。
飞行器动力学建模与仿真讲解
回忆牛顿力学
平动的方程； 转动的方程；
作为刚体的飞行器
质心的移动：力的影响：包括空气动力，发动机的推力和
重力。
绕质心的转动：相对于质心的力矩,，包括空气动力矩， 推力矩。
两个重要坐标系
研究气动力时，以速度坐标系为基准(O取在飞行 器的质心上，Ox3轴与速度矢量重合，Oy3轴位于 机体纵向对称平面内Ox3轴垂直，指向上为正)； 研究气动力矩时，以机体坐标系为基准(Ox1轴与 机体纵轴重合，Oy1轴位于机体纵向对称平面内 Ox1轴垂直，指向上为正) ；
俯仰力矩Mz 偏航力矩My 滚动力矩Mx
注意观察几个控制舵的位置
力的作用点，压心(主要受Ma数 影响)，十分重要
俯仰力矩工程简易计算公式
小攻角和舵偏角情况下:
最关键的主要3项(第2到4项)：恢复力矩、操纵力矩、阻尼力矩
上述三项是控制设计中的主要考虑因素，而恢复与操纵力矩量值又远比阻尼力矩大。 恢复力矩总是自然的去平衡操纵力矩，使得二者之和基本为0，顾名思义。改变操纵 力矩，就必然改变了攻角，从而影响了升力大小(这点在未来设计中可以通过输出曲 线对比的形式深化理解)。
V1导弹倾斜发射，飞行完预设的距离后，转动升降舵，掉头俯冲攻击目标。 大约飞行370km，使用自动驾驶仪，核心是陀螺。 V2导弹投入实用，造成了很大心理威慑。精度：16km/322km 系统组成：方向陀螺进行航向稳定+时间驱动的俯仰指令机构；轴向积分加速度 计，当速度达到要求时，关闭发动机。使用了最早的陀螺与加速度计
课程介绍
结束
第二部分
飞行力学中的基本概念
基本概念
飞行器的受力； 升力如何产生； 制导、导航与控制的关系；
飞行器空气动力学模型分析
飞行器空气动力学模型分析飞行器的空气动力学模型分析是航空工程中的关键任务之一，它涉及到飞行器在飞行过程中受到的气流力和阻力的研究和分析。
通过对飞行器的空气动力学模型进行分析，可以帮助设计师优化飞行器的外型，提高飞行器的性能和稳定性。
一、飞行器空气动力学模型的建立飞行器空气动力学模型的建立是对飞行器在气流中受到的各种力进行数学建模和物理描述的过程。
主要包括飞行器的气动力、气动阻力和气动力矩等。
建立准确的空气动力学模型可以帮助预测飞行器在各种条件下的性能表现，为飞行器的设计和改进提供依据。
在建立飞行器空气动力学模型时，首先需要确定计算的参考系和坐标系。
一般情况下，选取飞行器的重心为原点，以飞行器坐标轴系为基准建立坐标系，从而建立飞行器的空气动力学模型。
同时，还需要确定飞行器的气动参数，包括飞行器的参考面积、气动力系数和气动力矩系数等。
二、飞行器空气动力学模型的分析方法在飞行器空气动力学模型的分析中，通常采用数值计算和实验测试相结合的方法。
数值计算方法主要利用计算流体力学和数值模拟技术，对飞行器在气流中的流动进行数值模拟和计算，从而得到飞行器受到的气流力和阻力等信息。
实验测试方法则是通过风洞实验和飞行试验等手段，对飞行器在实际飞行状态下受到的气流力和阻力进行测量和分析。
在数值计算方法中，常用的模型包括雷诺平均Navier-Stokes方程模型（RANS）、Large Eddy Simulation模型（LES）和直接数值模拟（DNS）等。
这些模型可以帮助设计师深入理解飞行器在不同飞行状态下的气动行为，并优化设计参数以提高飞行器的性能和稳定性。
在实验测试方法中，风洞试验是一种常用的手段。
风洞试验通过在模型周围产生流动来模拟飞行状态，并通过测量飞行器表面上的压力分布、气动力和气动力矩等参数，从而得到飞行器在实际飞行中受到的各种力。
此外，还可以通过飞行试验来验证风洞试验的结果，并对飞行器进行真实环境下的性能测试和验证。
四轴飞行器动力学分析与建模
四翼飞行器动力学分析与建模1.引言四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。
这四轴飞行器(Quadrotor)是一种多旋翼飞行器。
四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。
因为它固有的复杂性，历史上从未有大型的商用四轴飞行器。
近年来得益于微机电控制技术的发展，稳定的四轴飞行器得到了广泛的关注，应用前景十分可观。
本章通过分析四旋翼直升机的动力学机制，运用已知的物理定律和方程来建立表征系统动态过程的数学模型。
2.四旋翼飞行器简介2.1四旋翼飞行器结构四旋翼直升机主体构成有：产生升力的四个旋翼、飞行控制设备及其支撑旋翼的机身。
有时为了保护飞行器，避免旋翼的损坏，特别装设了保护架。
其中，每个旋翼包括直流电机、翼翅及连接件等部分。
如下图所示：2.2四旋翼飞行器飞行原理四旋翼直升机与传统的直升机相比，有着自己独特的地方。
它的四个呈十字平均分布的旋翼取代了传统的单独的旋翼，对机身产生单独的力和力矩。
四旋翼直升机通过改变旋翼转速来控制飞行器的姿态，且四个旋翼的动态特性高度耦合。
3.四旋翼飞行器动力学方程3.1坐标描述及其转换关系飞机的姿态角、飞行速度的大小和方向等参数总是和坐标系联系在一起的，要确切地描述飞机的运动状态，就要先建立适当的坐标系。
下面定义几种坐标系，并分析各坐标之间的相互转换关系：(1)地面坐标系E （OXYZ ）地面坐标系用语研究飞机相对于地面的运动，确定飞机在空间的位置坐标X 、Y 、Z ，从而方便研究飞机的姿态、航向以及飞机相对起飞点的空间位置。
该坐标系原点固定于地面上飞机的起飞点，OX 轴指向飞机制定的飞行方向，OZ 轴垂直水平面向上，OY 轴垂直OXZ 平面。
(2)机体坐标系B （Oxyz ）机体坐标系固定在机体上，原点设在飞机重心，纵轴Ox 平行于前后旋翼的连线，指向前方为正方向，竖轴Oz 平行于左右旋翼的连线，指向右方为正方向；轴Oy 与轴Ox 、Oz 所在平面垂直，并与轴Ox 、轴Oz 组成右手坐标系。
飞行器的动力学建模与仿真
飞行器的动力学建模与仿真飞行器的动力学建模与仿真在航空航天领域中起着重要的作用。
通过建立准确的数学模型和进行仿真模拟，我们可以更好地理解飞行器的运行原理、评估设计方案的性能，并优化飞行控制系统。
本文将介绍飞行器动力学建模的基本原理和常用方法，并探讨仿真方法的应用。
一、飞行器动力学建模飞行器动力学是研究飞行器在空中运动规律和受力情况的学科。
建立准确的动力学模型是分析和优化飞行器性能的关键。
飞行器动力学模型通常包括飞行器的几何特性、大气环境、飞行器结构、发动机等因素。
1. 几何特性建模飞行器的几何特性主要包括质心位置、气动特性和运动约束等。
质心位置是飞行器稳定性和操纵性的关键因素，可以根据飞行器的布局和质量分布来计算。
气动特性涉及到飞行器及其组件的空气动力学特性，可以通过实验和计算来获取。
运动约束是根据飞行器的操纵限制和运动学方程建立的。
2. 大气环境建模大气环境对飞行器的运动状态和气动特性具有重要影响。
大气环境建模通常需要考虑的参数包括气温、气压、密度和风速等。
这些参数可以根据实测数据或气象模型来获得。
3. 结构建模飞行器的结构特性对其运动状态和控制性能有着直接影响。
飞行器的结构建模需要考虑结构材料、质量分布、刚性和柔性等因素。
常用的方法包括有限元分析和模态分析等。
4. 发动机建模发动机是飞行器的动力来源，对其性能进行建模是飞行器动力学建模的重要一环。
发动机模型需要考虑燃油消耗、推力输出和发动机特性等。
二、飞行器动力学仿真飞行器的动力学仿真是通过数值计算模拟飞行器的运动过程，以评估和优化飞行器的性能。
飞行器动力学仿真可以分为飞行器整体仿真和子系统仿真两个层次。
飞行器整体仿真是模拟飞行器在飞行过程中的动力学行为。
通过求解飞行器的运动方程和运动学关系，可以得到飞行器的位置、速度、姿态和动力响应等相关参数。
飞行器整体仿真通常使用数值计算方法，如广义坐标法、欧拉法或龙格-库塔法等。
子系统仿真是模拟飞行器不同部件的动力学行为。
航空航天工程中的多体动力学模拟与优化研究
航空航天工程中的多体动力学模拟与优化研究航空航天工程是现代工程领域的重要研究领域之一，而在航空航天工程中，多体动力学模拟与优化研究扮演着重要的角色。
本文将介绍多体动力学模拟与优化在航空航天工程中的应用，并探讨其在相关领域中的重要性与挑战。
航空航天工程中的多体动力学模拟是通过建立复杂的多体动力学模型，模拟实际运动中的多体系统，并根据系统的运动规律进行数值计算与分析的过程。
通过模拟与分析，研究人员可以深入理解航空航天工程中多体系统的动力学行为，优化相关工程设计与运行方案。
在航空航天工程中，多体动力学模拟与优化研究广泛应用于飞行器设计、空间探测器轨道设计、发动机燃烧过程模拟等方面。
其中，飞行器设计中的多体动力学模拟与优化研究尤为重要。
通过模拟分析飞行器在不同飞行状态下的动力学特性，可以优化飞行器的设计参数，提高其飞行性能与安全性。
例如，在飞行器设计中，多体动力学模拟可以帮助研究人员预测飞行器在不同气动载荷下的动态响应，评估设计的稳定性与舒适性，指导飞行器结构与控制系统的设计与优化。
此外，多体动力学模拟与优化研究还在空间探测器轨道设计中起着重要作用。
在空间探测任务中，探测器的轨道设计直接影响着任务的成功与效率。
通过模拟与优化分析，可以帮助确定最佳的轨道参数，使探测器能够高效地完成任务。
在这方面，多体动力学模拟与优化研究不仅需要考虑天体引力场的作用，还需要考虑其他因素如太阳辐射压力、大气扰动等对轨道的影响，以准确预测探测器的运动状态。
除了飞行器设计与空间探测任务中的应用，多体动力学模拟与优化研究还可用于研究发动机燃烧过程等工程问题。
在航空工程中，发动机燃烧过程的模拟与优化是提高发动机燃烧效率与减少排放的重要手段。
在航天工程中，多体动力学模拟与优化研究可以帮助理解航天器发动机在不同工作状态下的动态行为，优化燃烧过程，提高发动机的性能与可靠性。
然而，多体动力学模拟与优化研究在航空航天工程中也面临一些挑战。
首先，多体动力学模拟涉及到诸多物理过程与参数，需要建立准确的数学模型以描述多体系统的运动规律。
飞行器动力学建模及仿真技术的研究
飞行器动力学建模及仿真技术的研究随着航空航天技术的不断发展，飞行器动力学建模及仿真技术得到了越来越广泛的应用。
在飞行器的设计和仿真过程中，动力学建模和仿真技术的重要性不可忽视。
一、飞行器动力学建模的意义动力学建模是一种从基本物理定律出发，通过建立数学模型来描述系统运动的工程方法。
飞行器的动力学建模可以帮助工程师确定一架飞机的运动特征，从而更好地进行飞机设计和性能分析。
动力学建模可以帮助工程师了解飞机在不同状态下的响应和控制方法，并且可以更加精准地预测飞机的运动轨迹。
动力学建模是飞机设计和性能分析的重要环节。
在飞机的设计过程中，飞机的性能评估必然离不开动力学建模。
我们可以通过建立不同的飞机模型，进行各种各样的仿真试验，从而对不同飞机模型在不同工作状态下的性能进行分析和比较。
二、飞行器动力学建模技术的现状飞行器动力学建模技术是一项综合性强，理论性强的技术，需要多个学科的知识和技能。
飞机动力学建模技术的研究主要包括以下几个方面：1. 飞机的求解方法：飞机的求解方法主要有三种，分别是解析法、数值法和实验法。
在动力学建模中，我们经常会运用到数值分析法，如有限元法、有限差分法和有限体积法，通过数学计算来模拟物理现象。
同时也会运用到操作性分析法，如模拟操作，模拟推演等，对飞行器的操作过程进行仿真模拟。
2. 系统建模方法：系统建模是指将复杂的系统通过简单的数学模型进行描述，从而更好地理解系统运动特点。
在动力学建模中，我们可以将飞机的复杂运动分解成三个方向的运动，对每个方向建立动力学方程，再通过联立求解三个方向的动力学方程，进一步获得描述整个飞机运动的数学模型。
3. 参数识别方法：系统建模过程中，模型的有效性和精度直接影响预测结果的准确性。
参数识别是指通过观测和测量来获取系统的物理参数。
在动力学建模中，通过大量的试验和数据来精确估计系统的参数，从而更好地准确地描述机体的运动特性。
三、仿真技术中的数值模拟飞行器动力学建模中涉及到很多数值计算方法。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
牛顿力学基础； 高等数学初步； 数值计算方法； 自动控制原理； 现代控制理论部分知识； Matlab与C语言；
涉及到的主要知识点
关于受力分析的基本直觉和一些基本概念(得到的 设计结果都从最直观的地方思考下是否合理)； 泰勒展开(抓住主要矛盾的最基本手段)； 数值求解微分方程组(描述一个对象)； 根轨迹、稳定裕度(工程师的吃饭家伙)与描述函 数等频域知识； *状态观测器的设计； *数值逼近与非线性规划的思想； Matlab中主要基本控制分析函数的使用； 熟练使用C或者C++语言；
制导、导航与控制(GNC)
制导(Guidance)：规划出一条航行轨迹； 导航(Navigation)：测量飞行器的实际姿态 与位置； 控制(Control)：操纵飞行器沿着规划好的 航行轨迹运动。
对应于标准的反馈控制框图，GNC分别对应于哪些元素？
历史发展
1936年，德国开始进行“制导火箭”研究工程。 著名的V1和V2导弹，是现代制导武器的鼻祖，地地导弹。
•一切都要经过实践的检验，要么辨明存在的价 值，要么放弃存在的理由。
教学目的
了解作为一个控制工程师或者系统工程师 最基本的工作流程和规范，怎样入手、分 析和解决问题以及如何进行系统验证； 以飞行器为平台，借助于直观的物理理解 和直觉，帮助学生深入理解和体会已学的 控制知识； 帮助学生树立折中、辩证的系统观，抓住 事物的主要矛盾，简化问题，建立正确的 美学观念；
课程特点
新的专业知识点不是很多，而重点强调将 以前所学的知识综合；
机理分析、物理直觉、数学推导分析与计 算机仿真的综合，中间的一些小作业也是 这几方面的综合，最终解往往不唯一； 以系统工程设计的管理方式，将学生分成 几个小组，以组内讨论的方式进行完整的 设计流程，并择机在课堂上讲解并交流；
基础知识要求
飞行器的推力
推力P(T)，根据方向是否通过质心，判断 其是否产生力矩。
飞行器的重力
G=mg
飞行力学的分析
结束
第四部分
飞行器动力学与运动学方程组的建立
基础：牛顿力学
dV m F dt取坐标系的原则应该是：既能正确地描 述飞行器的运动，又要使描述运动的方程 形式简单清晰。 确定质心的位置坐标和飞行器在空间的姿 态等，建立地面坐标系(惯性坐标系)； 研究飞行器质心运动的动力学标量方程， 建立弹道坐标系；
飞机飞行力学； 直升机飞行力学； 导弹飞行力学； 空间飞行器飞行力学；
一个可能的认识误区
许多人认为，航空或者航天的动力学特性 很复杂。其实不然，作为运动控制中主要 分支，飞行器动力学基本上都可以使用牛 顿定律很清晰的进行机理建模，而不象一 些化工过程那样机理黑箱，只能进行近似 建模或者数值逼近。
侧向力矩工程简易计算公式
偏航
滚动
与纵向的相对独立不同，偏航与滚动具有很强的耦合性，只要出现侧滑角， 这两个方向都会受到影响。
铰链力矩
操纵面上的空气动力，对于操纵面转轴上 的力矩，一般会降低控制面效率。从直观 上理解就是，由于飞行器高速飞行带来的 相对气流对于操纵面带来的阻力影响，而 在静止条件下不存在，操纵面相当于顶风 前行。这个在控制的工程设计时十分重要， 否则可能出现操纵面驱动力矩小于铰链力 矩的情形，执行机构失效。
讲授特点
以PPT为主线，遇到关键性的原理讲解时，以板 书推导为主，希望加深大家的印象。 本PPT是从几个经典教材中提炼出来的，避免纠 结于过多的原理细节，回避过多的力学上的数学 描述而引起读者的茫然，采取让学生在实例使用 中逐渐理解的策略，这也是我本人的一个体会： 逐渐培养学生对于控制的感性认识，而避免抽象 的无处不在的理性。类比于语言的教学，在很多 情况下，语感比语法更加重要。
回忆牛顿力学
平动的方程； 转动的方程；
作为刚体的飞行器
质心的移动：力的影响：包括空气动力，发动机的推力和
重力。
绕质心的转动：相对于质心的力矩,，包括空气动力矩， 推力矩。
两个重要坐标系
研究气动力时，以速度坐标系为基准(O取在飞行 器的质心上，Ox3轴与速度矢量重合，Oy3轴位于 机体纵向对称平面内Ox3轴垂直，指向上为正)； 研究气动力矩时，以机体坐标系为基准(Ox1轴与 机体纵轴重合，Oy1轴位于机体纵向对称平面内 Ox1轴垂直，指向上为正) ；
本课程的重点针对对象
主要以大气层内的有翼飞行器为重点对象.一则与我们更加 接近,更容易为大家所理解;二则这个对象的一些主要分析研 究方法和思想,可以为更广泛的领域所借鉴.
有翼式飞行器
飞行器的升力基本由弹翼提供
常见的翼形
怎样学习与读书
在有经验的教师指导下有选择的读特定的章节， 而不是通篇浏览，否则会索然乏味，不知所云， 或者书读得越多，受到的思想束缚也越多，成为 文字的奴隶； 主动跟老师交流迷惑的问题，可能得到很简单便 捷的理解； 对于不太多也不很繁琐的作业自己推导与编程， 熟悉整个流程，思考一下物理合理性； 适当时候系统回顾一下所学的东西，梳理出条理， 理解物理本质，取其精华，去其糟粕。
与现今高精度巡航导弹的差别：小闭环与大闭环
飞行力学中的基本概念
结束
第三部分
飞行力学的分析
飞行器的力学分析
飞行器的力学特性是其作为一个被控对象 的特性，是研究飞行器制导与控制的基础. 作为一个系统工程师或者控制工程师，只 有对于对象本身特性有深入的了解，才可 能针对其具体问题有的放矢。
飞行器力学范畴
俯仰力矩Mz 偏航力矩My 滚动力矩Mx
注意观察几个控制舵的位置
力的作用点，压心(主要受Ma数 影响)，十分重要
俯仰力矩工程简易计算公式
小攻角和舵偏角情况下:
最关键的主要3项(第2到4项)：恢复力矩、操纵力矩、阻尼力矩
上述三项是控制设计中的主要考虑因素，而恢复与操纵力矩量值又远比阻尼力矩大。 恢复力矩总是自然的去平衡操纵力矩，使得二者之和基本为0，顾名思义。改变操纵 力矩，就必然改变了攻角，从而影响了升力大小(这点在未来设计中可以通过输出曲 线对比的形式深化理解)。
控制理论与工程之沟(1)
控制理论与工程之沟(2)
系统工程的传承性
控制工程对于广义的系统工程设计的指导价值 ； 系统工程的传承性； 传承与创新的关系；
结合点
“至少应该熟悉一个具体领域中的工程实 际问题，这样才能对这一学科的基本命题 、方法和结论有深刻的理解”。 “没有工程技术的实际知识和实践经验， 就缺少完全理解和彻底掌握工程控制论的 基础” 。
帮助学生理解控制知识怎样应用到实践中 去，理清思路。
工程师没有学很多的理论，可是能解决很多实际 问题；而现在控制理论教学与研究的问题是：学 生学了很多理论和公式，却很茫然。学了很多数 学符号如何与工程师交流？ 只见树木，不见森林：越来越多的知识通过怎样 的途径才能联系起来？控制知识必须通过用力的 实际平台支撑。
地面坐标系
A取在发射点上，Ax轴指向目标，Ay轴沿垂线向上
弹道(轨迹)坐标系
O取在飞行器质心上，Ox2轴与速度方向V重合，Oy2轴位于 包含速度矢量V的铅垂平面内垂直于Ox2，指向上为正
几个坐标系的特点
机体坐标系相对机体是不动的，而速度坐标系和 弹道坐标系相对机体是转动的。 不同坐标系之间的相互旋转转换，可以得到不同 物理意义的角度变量(从一个坐标系得到另一个坐 标系采用连续旋转的方法：每次绕一个轴旋转)。 旋转后坐标系的转换公式可以直接由立体解析几 何推得，是3个初等旋转矩阵的乘积，被称为方向 余弦矩阵，各个元素都是旋转角度的正弦或者余 弦，矩阵是正交的。
气动力与力矩的大小和方向，则和上述两个坐标 系之间的旋转角度相关。
两个重要的坐标系图
迎角：飞行力学中最基本的概念
迎角：又叫气流角，包括攻角和侧滑角。
迎角在飞行力学，也就是作为控制对象的飞行器的特性建 模中，具有基础和核心的作用。正如同没有反馈就没有控 制一样，没有迎角就没有飞行力学，也就无从谈上飞行器 的设计。 速度坐标系与弹体坐标系之间的相对方位可由两个角度确定： (1)垂直分量是攻角α (2)水平分量是侧滑角β
飞行器平台对于控制发展的影响
莱特的第一架飞机在构造上没有与先前的 设计有多少特殊之处，唯一的差别是引入 了飞行舵面进行操纵，才能维持稳定的飞 行； 钱学森的《工程控制论》就是其在Caltec通 过以飞行器为平台讲授控制原理的基础上 丰富完善的；
飞行器平台与系统工程人才培养(1)
在我国，以飞行器为研制主体的航空航天 领域是目前国内少有的独立进行完全控制 系统设计的单位，经过多年的不断完善， 这一条流水线上培养的控制工程师经过了 系统而严格的训练，不仅在控制领域具有 丰富的经验，而且控制工程师也是培养总 设计师最多的分系统专业，因为这个专业 需要全面系统的分析和理解问题。
V1导弹倾斜发射，飞行完预设的距离后，转动升降舵，掉头俯冲攻击目标。 大约飞行370km，使用自动驾驶仪，核心是陀螺。 V2导弹投入实用，造成了很大心理威慑。精度：16km/322km 系统组成：方向陀螺进行航向稳定+时间驱动的俯仰指令机构；轴向积分加速度 计，当速度达到要求时，关闭发动机。使用了最早的陀螺与加速度计
机翼的特性参数
翼面积S——弹翼平面的投影面积，常作为特征面积；
三大作用力
阻力X(D) (反向于Ox3，减速) 升力Y(L) (正向于Oy3，引起高度变化) 侧力Z (正向于Oz3，引起侧向位置变化) X引起速度大小变化，Y和Z引起速度方向变化，是法向力
动压q=1/2ρV2