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機(jī)械社區(qū)

標(biāo)題: 仿真軟件模擬飛機(jī)飛行技能 [打印本頁]

作者: 寂靜天花板 時(shí)間: 2015-10-29 19:01
標(biāo)題: 仿真軟件模擬飛機(jī)飛行技能
薩博公司Skeldar V200 旋翼無人機(jī)在固定翼機(jī)占主體的市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。Skeldar 無人機(jī)不需要飛機(jī)跑道；另外，它能夠在同一位置盤旋。這種無人機(jī)的尺寸為4.0m x 1.3m x 1.2m，速度為130 公里/ 時(shí)，最高可達(dá)到150 公里/ 時(shí)。其設(shè)計(jì)初衷是陸海兩用巡邏、輕型運(yùn)輸、進(jìn)行電子戰(zhàn)爭(zhēng)以及監(jiān)視等等。
面臨的挑戰(zhàn)
在Skeldar 無人機(jī)的早期開發(fā)階段，問題主要集中于樣機(jī)的穩(wěn)定性上。以前在開發(fā)樣機(jī)時(shí)，人們應(yīng)用了數(shù)學(xué)模型加以輔助，但樣機(jī)的飛行技能卻顯示出這些模型并未真正捕捉到無人機(jī)飛行技能的精髓。事實(shí)上，旋翼無人機(jī)飛行技能的仿真法要求其能夠精準(zhǔn)捕獲轉(zhuǎn)軸葉片和氣流之間的相互作用，這種相互作用是葉片在升起時(shí)飛機(jī)傾斜造成的——但是據(jù)MSC軟件公司和薩博公司透露，截止到目前，任何一種仿真法都無法達(dá)到此要求。
Adams 仿真軟件：模擬現(xiàn)實(shí)生活中的物理現(xiàn)象
作為一種多體動(dòng)力學(xué)的模仿軟件，Adams 軟件能夠通過早期確認(rèn)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)提高工程的效率、降低產(chǎn)品研發(fā)的費(fèi)用。工程師們可以評(píng)估并且操控不同學(xué)科之間復(fù)雜的相互作用——包括動(dòng)勢(shì)、結(jié)構(gòu)、吸合以及操控等，以此來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、更好的提高產(chǎn)品性能、安全性以及舒適度。由于Adams仿真軟件有極強(qiáng)的分析能力，再通過利用高性能計(jì)算環(huán)境，現(xiàn)在能夠解決更大型的問題。
Adam 仿真軟件現(xiàn)在能通過有限元分析法（FEA）在更短的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行非線性動(dòng)力學(xué)，它所計(jì)算出的負(fù)荷和力通過為一系列動(dòng)態(tài)環(huán)境和操作環(huán)境提供更精確的評(píng)估數(shù)據(jù)，而提高了有限元分析法的準(zhǔn)確性。
準(zhǔn)確性與解決方案
Per Persson 博士是薩博公司的一名技術(shù)人員，主要研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。他使用MSC 軟件公司的Adams 仿真軟件來模仿Skeldar 無人機(jī)的飛行技巧。Per Weinerfelt 博士同樣是此公司的技術(shù)人員，他是空氣動(dòng)力學(xué)和流入建模理論的堅(jiān)定支持者；同時(shí)，還將Adams 仿真法運(yùn)用到了直升飛機(jī)的結(jié)構(gòu)模型中。
MSC Nastran 公司的研究人員把兩個(gè)旋翼當(dāng)作8 個(gè)靈活的物體做成模型并使有代表性的模式成為Adams模型的一部分。將旋翼分割成更小的部分使旋翼外部的剛體運(yùn)動(dòng)應(yīng)用到葉片內(nèi)部，以更準(zhǔn)確地模擬葉片在飛機(jī)飛行過程中的變形。旋翼的每一小部分都包括大約25 個(gè)梁?jiǎn)卧?，并且都有其不同的特點(diǎn)。此項(xiàng)飛行試驗(yàn)重點(diǎn)放在飛機(jī)的旋翼系統(tǒng)上，因此直升機(jī)的主要框架只被簡(jiǎn)單展示為一個(gè)剛體結(jié)構(gòu)。
操縱于無人機(jī)上的空氣動(dòng)力是由一種模型為載體進(jìn)行計(jì)算的，這種模型作為用戶定義函數(shù)常被應(yīng)用于Adams 仿真軟件中。旋翼和直升機(jī)框架上的直線電機(jī)為空氣動(dòng)力模型提供了輸入數(shù)據(jù)；空氣動(dòng)力是由葉片動(dòng)作計(jì)算得出的，應(yīng)用在葉片旁邊的不同位置上。直升機(jī)框架上的拖曳力與一種方形板類似，葉片的變形或是動(dòng)勢(shì)都能對(duì)攻擊區(qū)計(jì)算角度產(chǎn)生影響。升力線方法計(jì)算出的升力和阻力，加之Peters-He 流入模型，能夠捕獲到飛機(jī)下降氣流的高度非線性作用。
空氣動(dòng)力的下降力要求與機(jī)翼的升力大小相同，但方向相反，因此，Persson 博士和Weinerfelt 博士在模型中注入了升力，反沖了下降力。
實(shí)際飛行控制系統(tǒng)方程組的一個(gè)狀態(tài)空間示意圖操控著模擬飛行器。其狀態(tài)空間系統(tǒng)包括：位置誤差反饋、時(shí)間積分位置反饋以及時(shí)間導(dǎo)數(shù)位置反饋。另外，無人機(jī)的動(dòng)作同樣還依靠于其姿態(tài)，操縱系統(tǒng)也是由其姿態(tài)以及姿態(tài)評(píng)級(jí)反饋的。將旋轉(zhuǎn)應(yīng)用于主轉(zhuǎn)軸中可以驅(qū)動(dòng)模型；尾槳操縱還可以防止無人機(jī)隨著旋翼一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)葉片的動(dòng)勢(shì)可以應(yīng)用于外部空氣動(dòng)力負(fù)荷中去。這些都是使得直升機(jī)可以運(yùn)動(dòng)的原因；操控系統(tǒng)則利用直升機(jī)的動(dòng)勢(shì)控制主旋翼和尾槳的旋轉(zhuǎn)方向。
之后，此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)規(guī)模擴(kuò)大，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述模型的正確性。葉片上的靜模態(tài)測(cè)量與計(jì)算數(shù)據(jù)基本一致；旋翼距經(jīng)過旋翼試驗(yàn)，最后數(shù)值也與模型得出的數(shù)值相似。上述實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃芎玫尿?yàn)證了葉片動(dòng)勢(shì)的整體形狀；通過從仿真模型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头答侊w行操控的輸入值，使得飛行技能與飛行試驗(yàn)相互關(guān)聯(lián)。盡管并不知道飛行器在實(shí)際飛行時(shí)的風(fēng)向以及風(fēng)力，但該模型依然復(fù)制了原型的間距和滾動(dòng)反映。在接下來的操控性測(cè)試中，無風(fēng)的情況下如果使用更小的控制輸入法，模型甚至可以得出更完善的測(cè)量數(shù)據(jù)。
結(jié)論
在確認(rèn)模型試驗(yàn)的結(jié)果之后，Persson將其應(yīng)用于在飛機(jī)原型中所出現(xiàn)的問題，卻發(fā)現(xiàn)仿真軟件模型將這些問題原原本本的復(fù)制了下來。與用儀器對(duì)原型進(jìn)行測(cè)量相比較，仿真軟件模型提供了更為詳細(xì)的信息——例如扇葉不同位置上的空氣動(dòng)力信息。由于模型試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，在更多條件下評(píng)估無人機(jī)的性能成為了現(xiàn)實(shí)——而這在以前真正的飛行試驗(yàn)中，考慮到時(shí)間、金錢以及承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)等因素，評(píng)估飛機(jī)原型性能是不可能實(shí)現(xiàn)的。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果幫助Persson 以及薩博公司其他的工程師們找到了飛機(jī)不穩(wěn)定問題的根源所在，并且尋求到了解決方案。在人們升級(jí)了模型試驗(yàn)并進(jìn)行進(jìn)一步模擬后，上述問題便消失了——之后，飛機(jī)原型的試驗(yàn)也進(jìn)行了相同的升級(jí)，測(cè)試用的飛機(jī)所顯示出的問題也切實(shí)得到了解決。
最后，Persson 博士總結(jié)道：“Adams仿真軟件節(jié)省了我們至少半年的時(shí)間，否則的話我們就得花費(fèi)半年的時(shí)間用于改進(jìn)以及測(cè)試飛機(jī)原型上?！?font class="jammer">' e. X) j- W3 o: H3 a
(, 下載次數(shù): 144)

作者: 番茄西瓜 時(shí)間: 2015-10-29 19:28
真不錯(cuò)

作者: wangqing1 時(shí)間: 2015-10-29 20:11
這才是技術(shù)啊，為此愿付出畢生

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