[发明专利]一种适用于弹性飞机的飞行仿真方法

说明书

本发明提供了一种适用于弹性飞机的飞行仿真方法。本发明构建了反映气动弹性效应的补丁模块，该补丁模块从刚体/弹性耦合方程中拆分出具有弹性效应的广义气动力，将其叠加到刚性飞机运动方程的广义气动力中，实现弹性飞机运动方程的求解；同时将弹性振动引起的测量信号叠加到刚性飞机的运动响应中，实现弹性飞机的测量信号模拟。本发明在刚性飞机的飞行仿真中置入该补丁模块，将其推广至弹性飞机的飞行仿真，避免了直接求解刚体/弹性耦合运动方程带来的复杂问题，使得原有刚性飞机飞行仿真技术的研究成果得以拓展，节省了工作量，具有工程实用价值。

技术领域

本发明属于飞行仿真技术领域，涉及一种适用于弹性飞机的飞行仿真方法。

背景技术

飞行仿真技术是飞行控制系统研究中不可或缺的重要部分。传统的飞行仿真常常忽略弹性效应，仅考虑刚性飞机的飞行力学特性。但随着飞机设计的进步，飞机的柔性不断增大，气动弹性、阵风响应等影响日益突出。飞机的气动弹性效应逐渐成为不可忽视的因素。

弹性飞机的飞行仿真需要考虑结构的弹性效应、不同模态间的气动力耦合等诸多因素，研究相对困难。国内外学者多采用求解刚体/弹性耦合运动方程的方法，构建弹性飞机的飞行仿真模型。但该方法需要重新改写飞行力学方程，使得原有的刚性飞机飞行仿真基础不再适用。而求解刚弹耦合方程的飞行仿真相对复杂，需要针对弹性飞机重新研究从动力学建模到控制律设计等一系列理论，大大增加了工作量，不利于在实际工程中应用。

发明内容

针对现有技术对弹性飞机飞行仿真的问题，本发明提出了一种适用于弹性飞机的飞行仿真方法，通过广义气动力的拆分和测量信号的叠加，构建反映飞机气动弹性效应的补丁模块，在刚性飞机的飞行仿真中置入该补丁模块，将其推广至弹性飞机的飞行仿真。本发明的补丁模块从刚弹耦合方程中拆分出具有弹性效应的广义气动力，将其叠加到刚性飞机运动方程的广义气动力中，实现弹性飞机运动方程的求解；同时将弹性振动引起的测量信号叠加到刚性飞机的运动响应中，实现弹性飞机的测量信号模拟。

具体地，本发明提供的一种适用于弹性飞机的飞行仿真方法，构建了反映气动弹性效应的补丁模块，通过该模块将刚性飞机的飞行仿真推广至弹性飞机的飞行仿真，包括如下步骤：

步骤1，对弹性飞机进行运动建模，构建刚弹耦合方程；

步骤2，对刚弹耦合方程的广义气动力进行拆分建模，拆分为刚体模态广义气动力和弹性模态广义气动力，补丁模块计算弹性模态广义气动力，计算弹性振动引起的刚体模态广义气动力增量，将该增量叠加到原有刚性飞机运动方程的广义气动力中，进一步实现弹性飞机刚弹耦合方程的求解；

步骤3，根据气动弹性效应的影响，补丁模块计算弹性振动引起的测量信号，在原有刚性飞机运动响应的基础上，叠加弹性振动引起的测量信号，实现弹性飞机测量信号的模拟。

所述步骤2中，构建广义气动力的表达式如下：

式中，f_η表示刚体模态广义气动力，f_ξ表示弹性模态广义气动力；η表示刚体模态广义坐标，ξ表示弹性模态广义坐标；δ表示舵面偏转角；w_g表示阵风速度；表示线性或非线性的函数关系。将h简化为线性的函数关系后，广义气动力的线性表达式如下：

其中，为动压，V₀为来流速度；等式右端，第1项分别表示与飞机气动外形有关的刚体模态广义气动力和弹性模态广义气动力，第2项由系数矩阵和表示与飞机刚体运动和弹性振动相关的广义气动力，第3项由系数矩阵表示舵面偏转产生的广义气动力，第4项由系数矩阵表示阵风引起的广义气动力。

进一步，将上式进行变换，得到：