电作动折叠机翼设计仿真及控制研究

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折叠机翼技术是舰载机与航母相匹配的关键技术,通过该技术可缩小机翼展向尺寸,使航母在有限的甲板空间内容纳尽可能多的舰载机,增强航母战斗力。我国歼-20、美国F-22和F-35战机都采用多机翼协同控制方案,必要时进行机翼折叠,增加飞机机动性。未来飞机的发展趋势是多电和全电飞机,以电作动技术实现机翼的折叠不仅可避免液压传动带来的一些问题,还具有降低飞机重量、提高可维护性等诸多优点。基于以上背景,本文以电作动折叠机翼为研究对象,对其折叠机构、气动特性分析、动力学仿真、控制和可靠性评估等关键问题进行了深入研究。具体研究内容如下:(1)针对折叠机翼的需求,通过对翼型的气动特性分析,采用综合指数评估法优选出合适的翼型,基于平面机构解析法确定了折叠机构的相关参数,使其满足结构紧凑、轻量化等相关需求。(2)为保证飞行安全及动力学仿真精度,基于计算流体力学的方法对外翼和折叠翼进行了数值计算,详细地分析了外翼及折叠翼气动特性变化情况,并分析了折叠翼升阻力随迎角变化趋势,结果表明折叠机翼技术可以解决飞机高低速性能需求的矛盾,同时根据仿真结果给出飞机飞行时机翼发生非正常折叠后的补救措施。(3)在CATIA中建立了内翼、外翼及折叠机构的三维模型,并进行装配,同时在LMS Virtual.Lab Motion中对气动力加载前后的机翼折叠过程进行了仿真,从运动学和动力学两个角度分析了仿真结果,结果研究表明气动载荷效应会使作动筒的最大驱动载荷增大34.63%,最大承受载荷减小25.47%。(4)针对折叠机翼的电作动控制,设计了电流环、转速环及位置环三闭环位置伺服控制,同时结合无刷直流电机以及传动机构的数学模型,在MATLAB/Simulink中建立了无刷直流电机仿真模型及折叠机翼系统位置伺服仿真模型,并进行了控制系统仿真分析,结果表明系统具有良好的动态稳定性和跟踪性。(5)针对提高折叠机翼控制系统的可靠性问题,对基于GO法的折叠机翼控制系统可靠性进行了定量分析研究,建立系统的GO模型,运用GO法概率公式计算系统成功运行的概率为0.9999649,故障树分析法计算的成功概率为0.9999556,验证了折叠机翼控制系统可靠性满足要求。论文研究成果可为电作动折叠机翼系统的设计及控制提供一定的理论参考。
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