航空、航天科學技術

電動伺服舵系統動力學建模及顫振分析

張仁嘉，吳志剛，楊超

摘要：目的：舵系統作為飛行器的重要構成部件，其動態特性和顫振穩定性一直是設計部門關注的焦點。舵機動力學對舵系統顫振有最直接影響，其動力學模型的準確建立是顫振分析的關鍵。本文以某電動伺服舵系統為對象，基于地面振動試驗數據特征，分別建立了電機、減速器及控制回路模型并進行了顫振時域分析，探索了接觸剛度和間隙聯合作用下舵系統的響應行為。方法：首先從地面振動試驗現象出發，分析并假設舵機內部可能存在的非線性因素，以此為基礎分析建立減速器內部關鍵部位絲杠—滾珠—螺母副的間隙、剛度和力學模型，結合舵機控制律建立舵系統綜合模型。之后采用分支模態法引入舵機對舵面的“復雜”支持，對典型顫振方程進行改寫。在計算氣動力時，以舵面分支模態集合為輸入，采用最小狀態法對氣動力影響系數矩陣進行有理函數擬合。最后將前述各子系統模型整合至顫振時域分析框架，對不同舵機指令角及不同來流速度下的系統響應進行研究。結果：對比地面振動試驗與仿真頻響結果，仿真準確地捕捉到了試驗頻響中的4處特征點。作為對照，常數剛度條件下，頻響曲線體現出典型的二階系統特征，完全失去接觸剛度下的幾處特征。考察間隙對舵面旋轉頻率的影響，隨著間隙半寬度 FP的增大，頻率呈下降趨勢。FP為1E-4時，換算得到的舵軸間隙角大概為0.1°不同激振力下系統的頻響曲線仿真結果與試驗結果規律一致。在顫振分析環節，主要對比舵系統在接觸剛度和常數剛度2種假設下，氣動彈性響應的不同。常數剛度假設下，系統響應存在極限環和發散兩個域，且隨著風速提高，臨界角漸小；接觸剛度假設下，臨界角同樣隨風速提高而減小，但與前者相比系統響應多了一個收斂域。對比兩種假設的穩定邊界發現，相同風速下，接觸剛度的臨界角更大。接觸剛度和常數剛度假設下舵系統穩定邊界在不同間隙下的變化趨勢如下：相同風速下，隨著間隙的增大，常數剛度假設的臨界角增大。其臨界速度在3種間隙下均位于0.975處，保持不變；對于接觸剛度假設，當風速小于0.75時，臨界角隨間隙增大而增大。但當風速大于0.75時，臨界角卻是減小的，系統的臨界速度也會隨間隙的增大而減小。此外，還發現系統的極限環邊界不會受間隙的影響。結論：考慮接觸剛度和間隙的舵系統動力學模型，準確捕捉到了地面振動試驗數據中的非線性特征：隨著激振力的增大，舵面旋轉頻率逐漸升高，舵機提供的支持剛度在提高。說明以接觸剛度為主，間隙為輔的非線性因素組合，共同主導了舵系統整體的動力學特性。接觸剛度下的舵系統氣動彈性響應存在收斂、極限環和發散3個域；而常數剛度下，系統僅存在極限環和發散兩個域。兩種假設下，隨著風速的提高，系統邊界角均減小。相同風速下，接觸剛度下的邊界角一般大于常數剛度下的邊界角，更加穩定。常數剛度下，邊界角隨間隙增大而增大；接觸剛度下，風速低于0.75時，邊界角與間隙角正相關。風速高于0.75時，反之。常數剛度下，邊界速度不隨間隙變化；而接觸剛度下，間隙越大，邊界速度越低，甚至會低于常數剛度下的邊界速度。鑒于兩種假設下，舵系統動力學行為及氣動彈性響應的多處不同，在工程分析中，應當對舵機的支持特性引起足夠重視，尤其要關注接觸剛度和其他非線性因素聯合作用下可能帶來的不利影響。

來源出版物：北京航空航天大學學報, 2016, 42(7): 1368-1376

入選年份：2016

我國航空用鈦合金技術研究現狀及發展

朱知壽

摘要：鈦合金因具有密度低（如Ti-6Al-4V鈦合金密度為4.5 g/cm3，是低碳鋼的57%）、比強度高、耐蝕性好、彈性模量低、導熱系數小、屈強比高（成形回彈大）、無毒無磁性、耐熱性好、抗低溫脆性好、可焊接、生物相容性好、表面活性大、表面可裝飾性強等特性而被廣泛應用于各個工業領域。通過綜述我國航空用鈦合金技術研究現狀和存在的問題，提出未來航空鈦合金材料發展方向和采取的主要措施，指明了實現產業結構升級、技術成熟度提升、減能增效、低成本制造及擴大用量等產業化應用目標。問題：我國海綿鈦年產量達6萬t、鈦加工材產量達5萬t，已經躍居世界第1位，但與發達國家相比，在技術水平和高端應用上仍存在較大差距。首先，我國航空航天鈦合金用量只占鈦合金產量的10%，與發達國家的50%仍存在較大的差距。其次，我國鈦合金產品結構比例不合理，如醫療用鈦等部分深加工品仍依賴進口。此外，我國鈦加工材綜合性能、質量穩定性和技術成熟度等方面仍需要進一步提升。最后，我國鈦合金高端產品規模小、低端產品產能過剩、低成本高性能鈦合金的研發和應用滯后等問題仍沒有得到很好的解決。措施：為解決上述問題，首先應從綜合性能優化、規格品種齊全、應用規模擴大、規范標準完善、考核驗證數據充分等方面入手，提高主干鈦合金技術成熟度。其次，堅持材料創新和工藝創新，實現強度、塑性、韌性和疲勞性能的綜合匹配，按體系發展原則，建立航空用鈦合金材料系列。再者，通過結構整體化、材料與制造低成本化和品種系列化等手段發展低成本高性能鈦合金材料技術。趨勢：建立我國自主保障的航空鈦合金材料體系是鈦合金回收再利用技術得到良好應用的前提，發展高綜合性能鈦合金材料與低成本制造技術是提升我國鈦合金用量和應用水平、并能進一步推廣應用到其他領域。

來源出版物：航空材料學報, 2014, 34(4): 44-50

入選年份：2016