航空、航天科学技术

电动伺服舵系统动力学建模及颤振分析

张仁嘉，吴志刚，杨超

摘要：目的：舵系统作为飞行器的重要构成部件，其动态特性和颤振稳定性一直是设计部门关注的焦点。舵机动力学对舵系统颤振有最直接影响，其动力学模型的准确建立是颤振分析的关键。本文以某电动伺服舵系统为对象，基于地面振动试验数据特征，分别建立了电机、减速器及控制回路模型并进行了颤振时域分析，探索了接触刚度和间隙联合作用下舵系统的响应行为。方法：首先从地面振动试验现象出发，分析并假设舵机内部可能存在的非线性因素，以此为基础分析建立减速器内部关键部位丝杠—滚珠—螺母副的间隙、刚度和力学模型，结合舵机控制律建立舵系统综合模型。之后采用分支模态法引入舵机对舵面的“复杂”支持，对典型颤振方程进行改写。在计算气动力时，以舵面分支模态集合为输入，采用最小状态法对气动力影响系数矩阵进行有理函数拟合。最后将前述各子系统模型整合至颤振时域分析框架，对不同舵机指令角及不同来流速度下的系统响应进行研究。结果：对比地面振动试验与仿真频响结果，仿真准确地捕捉到了试验频响中的4处特征点。作为对照，常数刚度条件下，频响曲线体现出典型的二阶系统特征，完全失去接触刚度下的几处特征。考察间隙对舵面旋转频率的影响，随着间隙半宽度 FP的增大，频率呈下降趋势。FP为1E-4时，换算得到的舵轴间隙角大概为0.1°不同激振力下系统的频响曲线仿真结果与试验结果规律一致。在颤振分析环节，主要对比舵系统在接触刚度和常数刚度2种假设下，气动弹性响应的不同。常数刚度假设下，系统响应存在极限环和发散两个域，且随着风速提高，临界角渐小；接触刚度假设下，临界角同样随风速提高而减小，但与前者相比系统响应多了一个收敛域。对比两种假设的稳定边界发现，相同风速下，接触刚度的临界角更大。接触刚度和常数刚度假设下舵系统稳定边界在不同间隙下的变化趋势如下：相同风速下，随着间隙的增大，常数刚度假设的临界角增大。其临界速度在3种间隙下均位于0.975处，保持不变；对于接触刚度假设，当风速小于0.75时，临界角随间隙增大而增大。但当风速大于0.75时，临界角却是减小的，系统的临界速度也会随间隙的增大而减小。此外，还发现系统的极限环边界不会受间隙的影响。结论：考虑接触刚度和间隙的舵系统动力学模型，准确捕捉到了地面振动试验数据中的非线性特征：随着激振力的增大，舵面旋转频率逐渐升高，舵机提供的支持刚度在提高。说明以接触刚度为主，间隙为辅的非线性因素组合，共同主导了舵系统整体的动力学特性。接触刚度下的舵系统气动弹性响应存在收敛、极限环和发散3个域；而常数刚度下，系统仅存在极限环和发散两个域。两种假设下，随着风速的提高，系统边界角均减小。相同风速下，接触刚度下的边界角一般大于常数刚度下的边界角，更加稳定。常数刚度下，边界角随间隙增大而增大；接触刚度下，风速低于0.75时，边界角与间隙角正相关。风速高于0.75时，反之。常数刚度下，边界速度不随间隙变化；而接触刚度下，间隙越大，边界速度越低，甚至会低于常数刚度下的边界速度。鉴于两种假设下，舵系统动力学行为及气动弹性响应的多处不同，在工程分析中，应当对舵机的支持特性引起足够重视，尤其要关注接触刚度和其他非线性因素联合作用下可能带来的不利影响。

来源出版物：北京航空航天大学学报, 2016, 42(7): 1368-1376

入选年份：2016

我国航空用钛合金技术研究现状及发展

朱知寿

摘要：钛合金因具有密度低（如Ti-6Al-4V钛合金密度为4.5 g/cm3，是低碳钢的57%）、比强度高、耐蚀性好、弹性模量低、导热系数小、屈强比高（成形回弹大）、无毒无磁性、耐热性好、抗低温脆性好、可焊接、生物相容性好、表面活性大、表面可装饰性强等特性而被广泛应用于各个工业领域。通过综述我国航空用钛合金技术研究现状和存在的问题，提出未来航空钛合金材料发展方向和采取的主要措施，指明了实现产业结构升级、技术成熟度提升、减能增效、低成本制造及扩大用量等产业化应用目标。问题：我国海绵钛年产量达6万t、钛加工材产量达5万t，已经跃居世界第1位，但与发达国家相比，在技术水平和高端应用上仍存在较大差距。首先，我国航空航天钛合金用量只占钛合金产量的10%，与发达国家的50%仍存在较大的差距。其次，我国钛合金产品结构比例不合理，如医疗用钛等部分深加工品仍依赖进口。此外，我国钛加工材综合性能、质量稳定性和技术成熟度等方面仍需要进一步提升。最后，我国钛合金高端产品规模小、低端产品产能过剩、低成本高性能钛合金的研发和应用滞后等问题仍没有得到很好的解决。措施：为解决上述问题，首先应从综合性能优化、规格品种齐全、应用规模扩大、规范标准完善、考核验证数据充分等方面入手，提高主干钛合金技术成熟度。其次，坚持材料创新和工艺创新，实现强度、塑性、韧性和疲劳性能的综合匹配，按体系发展原则，建立航空用钛合金材料系列。再者，通过结构整体化、材料与制造低成本化和品种系列化等手段发展低成本高性能钛合金材料技术。趋势：建立我国自主保障的航空钛合金材料体系是钛合金回收再利用技术得到良好应用的前提，发展高综合性能钛合金材料与低成本制造技术是提升我国钛合金用量和应用水平、并能进一步推广应用到其他领域。

来源出版物：航空材料学报, 2014, 34(4): 44-50

入选年份：2016