翼伞九自由度动力学建模与仿真-精选资料
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目录1 刚体系统 (1)2 弹性系统动力学 (6)3 高速旋转体动力学 (10)1 刚体系统一般力学研究的对象,是由两个或两个以上刚体通过铰链等约束联系在一起的力学系统,为一般力学研究对象。
自行车、万向支架陀螺仪通常可看成多刚体系统。
人体在某种意义上也可简化为一个多刚体系统。
现代航天器、机器人、人体和仿生学中关于动物运动规律的研究都提出了多刚体系统的一系列理论模型作为研究对象。
多刚体系统按其内部联系的拓扑结构,分为树型和非树型(包含有闭链);按其同外界的联系情况,则有有根和无根之别。
利用图论的工具可以一般地分析多刚体系统的构造,建立系统的数学模型和动力学方程组。
也可从分析力学中的高斯原理出发,用求极值的优化算法直接求解系统的运动和铰链反力。
依照多刚体系统动力学的理论和方法,广泛采用电子计算机对这些模型进行研究,对于精确地掌握这些对象的运动规律是很有价值的。
1.1 自由物体的变分运动方程任意一个刚体构件i ,质量为i m ,对质心的极转动惯量为i J ',设作用于刚体的所有外力向质心简化后得到外力矢量i F 和力矩i n ,若定义刚体连体坐标系y o x '''的原点o '位于刚体质心,则可根据牛顿定理导出该刚体带质心坐标的变分运动方程:0][][=-'+-ii i i i i i T i n J F r m r φδφδ&&&& (1-1) 其中,i r 为固定于刚体质心的连体坐标系原点o '的代数矢量,i φ为连体坐标系相对于全局坐标系的转角,i r δ与i δφ分别为i r 与i φ的变分。
定义广义坐标:T i T i i r q ],[φ= (1-2)广义:T i T i i n F Q ],[= (1-3)及质量矩阵:),,(i i i i J m m diag M '= (1-4)体坐标系原点固定于刚体质心时用广义力表示的刚体变分运动方程:0)(=-i i i T i Q q M q &&δ (1-5)1.2 束多体系统的运动方程考虑由nb 个构件组成的机械系统,对每个构件运用式(1-5),组合后可得到系统的变分运动方程为:0][1=-∑=i i i nb i T i Q q M q&&δ (1-6)若组合所有构件的广义坐标矢量、质量矩阵及广义力矢量,构造系统的广义坐标矢量、质量矩阵及广义力矢量为:T T nb T T q q q q ],...,,[21= (1-7)),...,,(21nb M M M diag M = (1-8)T T nb T T Q Q Q Q ],...,,[21= (1-9)系统的变分运动方程则可紧凑地写为:0][=-Q q M q T &&δ (1-10)对于单个构件,运动方程中的广义力同时包含作用力和约束力,但在一个系统中,若只考虑理想运动副约束,根据牛顿第三定律,可知作用在系统所有构件上的约束力总虚功为零,若将作用于系统的广义外力表示为:T TA nb T A T A A Q Q Q Q ],...,,[21= (1-11) 其中:T A TA i A i n F Q ],[=,nb i ,...,2,1= (1-12) 则理想约束情况下的系统变分运动方程为:0][=-A T Q q M q &&δ (1-13)式中虚位移q δ与作用在系统上的约束是一致的。
动力翼伞系统拟坐标形式的多体动力学建模张青斌; 高峰; 郭锐; 丰志伟; 葛健全【期刊名称】《《兵工学报》》【年(卷),期】2019(040)009【总页数】8页(P1935-1942)【关键词】翼伞系统; 多体动力学; 拟坐标; 飞行仿真; 18自由度【作者】张青斌; 高峰; 郭锐; 丰志伟; 葛健全【作者单位】国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073; 96796部队吉林白山135200【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言翼伞系统不仅具有折叠体积小、质量轻的优点,而且拥有优良的操稳和滑翔性能,可以在一定初始偏差和风场等干扰条件下实现定点无损着陆,广泛应用于高空投放、远距离渗透和精确着陆等任务中,具有极大的军事和民用价值。
目前国外研发了一系列颇具代表性的空投系统,例如美国Atair Aerospace 公司研制的自主导航空投系统、美国Strong Enterprises公司研制的Screamer空投系统、美国Alabama大学和海军研究院联合研发的Snowflake空投系统,以及加拿大米斯特机动综合系统技术公司研制的Sherpa系统和德国Cassidian公司研制的Paralander空投系统等[1]。
上述空投系统能完成从数千克到数十吨的货物精确空投,落点偏差甚至在几十米以内。
翼伞空投系统已成为世界各军事强国空投技术的发展方向,但是由于理论研究难度大且技术复杂,目前世界上掌握精确空投核心技术并有产品正式列装的国家较少。
翼伞系统飞行动力学是开展翼伞系统设计研制的理论基础。
文献[2-3]建立了多种自由度的翼伞多体动力学模型,分析了展弦比、后缘下拉方式、安装角及系统长度对雀降性能的影响。
Goodrick[4]提出并建立了翼伞和回收物刚性连接的6自由度模型,研究了翼伞系统纵向运动的稳定性和飞行性能。
Zhang等[5]在建立翼伞6自由度模型基础上,通过实验验证了6自由度模型的可行性,用该模型仿真得到了翼伞各项参数变化对翼伞飞行状态的影响。
基于ANSYS Workbench软件模拟高空发电翼伞三维结构研究【摘要】本文基于ANSYS Workbench软件,对高空发电翼伞的三维结构进行了模拟研究。
在建模与网格划分部分,我们详细介绍了模型的构建过程并进行了网格划分。
载荷及边界条件设置部分说明了模拟过程中设置的各项条件。
通过模拟计算,我们得到了该结构在不同情况下的应力分布和变形情况。
结果分析与讨论部分对模拟结果进行了详细分析,并指出了结构存在的问题和改进方向。
在优化设计部分,我们提出了针对该结构的优化方案。
通过研究成果总结了本文的成果,并展望了未来在高空发电翼伞领域的研究方向。
本研究为高空发电翼伞结构设计提供了重要的参考依据,具有一定的理论和实际价值。
【关键词】高空发电、翼伞、三维结构、ANSYS Workbench、模拟、建模、网格划分、载荷、边界条件、计算、结果分析、优化设计、研究成果、未来展望1. 引言1.1 研究背景翼伞式高空发电是一种较为先进的高空发电技术,它利用高空强劲的气流驱动翼伞旋转,从而产生电能。
翼伞的结构设计与性能优化对高空发电系统的效率和稳定性至关重要。
通过基于ANSYS Workbench软件进行三维结构模拟研究,可以有效地分析翼伞在不同工况下的受力情况、变形情况以及动态特性,为翼伞设计与优化提供科学依据。
本文旨在通过对高空发电翼伞的三维结构进行模拟研究,探索其在实际应用中的性能表现,为高空发电技术的发展提供理论支持和实用指导。
通过建立合理的模型,并进行载荷及边界条件设置、模拟计算、结果分析与讨论以及优化设计,将为高空发电翼伞的结构设计和性能优化提供有益的参考。
1.2 研究目的研究目的是通过基于ANSYS Workbench软件的模拟,对高空发电翼伞的三维结构进行深入研究,探索其在高空风能利用领域的应用前景。
具体目的包括:分析高空发电翼伞的结构特点和力学行为,探讨其在高空环境下的受力情况;验证高空发电翼伞在不同风速和气候条件下的工作性能,并评估其可靠性和稳定性;优化高空发电翼伞的设计,提高其发电效率和适应性,以实现更好的风能利用效果;为高空风能发电技术的发展提供可靠的理论支持和技术指导,推动可再生能源领域的研究和应用。
动力滑翔伞的建模和运动分析摘要:无人飞行器(UAV)是用于侦察观测地面情况的设备,于灾难发生时收集必要的具体地面信息。
此外,为了获得更全面的地面信息,一个多载具系统也是必要条件之一。
而自主动力滑翔伞(PPG)就可以实现无人飞行器的功能,同时还具有轻型,紧凑,便携的优点,甚至可以由其他无人飞行器携带升空并展开. 然而,动力滑翔伞运动的具体参数细节尚未被研究。
本次研究建立了一个动态PPG模型并得出了其运动特性分析的结果。
关键字:翼伞, UAV, 建模, 数字模拟1. 引言动力滑翔伞(PPG) 由滑翔翼伞和一个配备引擎/马达及螺旋推进器的主体组成。
图1 展示了一个PPG的实例。
图1 PPG的外观图片具备推进系统和无推进系统的伞翼比较起来,具备推进系统的伞翼在续航能力上有着提高,而自主动力滑翔伞(PPG)就可以实现无人飞行器的功能,同时还具有轻型,紧凑,便携的优点,甚至可以由其他无人飞行器携带升空并展开,这也使得动力滑翔伞(PPG)在多载具的系统中有着各式各样的应用。
现今,PPG的一种应用途径是监视并侦察地面情况. 而在未来,PPG会被用于对污染的大气进行抽样,例如在环境污染或火山喷发的时候等。
常规的PPG是一悬挂飞行系统, 即伞翼与搭载设备的主体在悬挂点连接,与双摆结构类似. 因此, PPG的运动参数与通常被表述为一刚体系统的飞机的运动特性是不同的,绝大多数近期的关于自主伞翼的研究是关于航行和导航的[1]。
例如,Ref.2对恢复系统翼伞的导航和控制的研究, 实现了对地面目标点的软着陆. 然而,至今为止,对于翼伞的飞行高度稳定性方面的研究还在初步阶段。
本次研究建立了一个动态PPG模型并得出了其运动特性分析的结果。
2.PPG的模型绝大多数的降落伞与负载系统被当成一个和飞机相同的刚体来进行分析 [3].而伞翼还被作为一个六自由度的模型来分析 [4]. 然而, 在考虑到降落伞及其负载的振荡存在不同后, 分析其运动特性时就将其作为两个个体组成的系统来分析 [5].在此类系统中具有最多自由度的是可旋转的降落伞,被作为两个个体组成的具有九个自由度的系统进行分析 [6].近期,伞翼和其负载间的相对运动已经被研究 [7]. 存在着四种相对运动t: (1) 相对偏航, (2) 相对横摇(3)相对升降 (4) 相对俯仰.然而, (2)相对横摇和 (3) 相对升降通常可被忽略图2展示了PPG的零部件图2.PPG的零部件为了更精确的描述运动(1) 和 (4), 我们建立了一个8自由的的类似双摆的PPG的模型(图3)。
飞行器动力学建模与仿真研究近年来,飞行器动力学建模与仿真研究已成为飞行器研究领域的热点话题。
飞行器动力学建模与仿真是模拟一个飞行器在不同环境下的运动规律和表现的过程。
这对于飞行器研究人员来说是非常重要的,可以帮助他们更好地了解飞行器在不同环境下的性能表现,从而能够更好地设计、优化飞行器的结构。
本文将从动力学建模和仿真技术入手,介绍飞行器动力学建模和仿真研究的基础知识、发展现状、存在的问题以及未来的研究方向。
一、动力学建模技术动力学建模技术是飞行器动力学建模中的一个重要环节。
动力学建模技术主要是利用物理原理和数学工具,建立数学模型,模拟飞行器在不同环境中运动的规律和表现。
动力学建模技术通常包括以下步骤:1.建立基础模型:建立基础模型是动力学建模的第一步。
基础模型一般包括飞行器几何结构、质量、惯性等基本信息,以及模型需要满足的运动方程和约束条件。
2.建立运动学模型:建立运动学模型是动力学建模的第二步。
运动学模型一般包括飞行器运动的速度、加速度和旋转角度等参数,这些参数可以通过不同的坐标系统描述。
3.建立动力学模型:建立动力学模型是动力学建模的第三步。
动力学模型一般包括飞行器所受的外力和内力,并结合牛顿定律,建立运动方程。
4.构建数学模型:将基础模型、运动学模型和动力学模型结合起来,构建数学模型,用于模拟分析不同环境下飞行器的运动规律。
5.模型验证:模型验证是动力学建模的最后一步。
通过与实验数据的对比,验证模型的准确性。
二、飞行器动力学仿真技术飞行器动力学仿真技术是将建立的模型通过计算机程序实现动力学模拟的过程。
飞行器动力学仿真技术一般涉及到飞行器在不同环境下的运动表现、控制和应对不同环境的能力等问题。
飞行器动力学仿真技术可以分为几个方面:1.运动学仿真:通过仿真程序,计算飞行器在不同环境下的位置、速度、加速度和旋转角度等运动学参数。
2.动力学仿真:通过模拟程序,计算飞行器所受的外力和内力,并结合牛顿定律,模拟分析不同环境下飞行器的运动规律。
翼伞转弯机理及其影响因素仿真分析李德荣;陈楸;吴泽锐;于群涛【摘要】In order to realize the aim of precision airdrop, good turn performance is extremely important for parafoil system. Based on a typical parafoil system, a 6-DOF nonlinear model was established and its turn mechanism was analyzed. By numerical simulation, the influence of parafoil directional stability and drag rudder on parafoil turn performance was mainly studied. The conclusion can provide theoretical reference for the design of parafoil system.%翼伞系统要实现精确空投的目的,其良好的转弯性能极其重要。
本文以典型翼伞系统为对象,深入分析了翼伞的转弯机制,并建立了翼伞系统六自由度非线性模型。
通过仿真实验,重点研究了翼伞的航向安定性和阻力方向舵对翼伞系统转弯性能的影响,所得结论可为翼伞系统的设计提供一定的理论参考。
【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2014(000)019【总页数】4页(P57-60)【关键词】翼伞;仿真;航向安定性;转弯【作者】李德荣;陈楸;吴泽锐;于群涛【作者单位】西北工业大学自动化学院,陕西西安 710129;西北工业大学自动化学院,陕西西安 710129;西北工业大学自动化学院,陕西西安 710129;西北工业大学自动化学院,陕西西安 710129【正文语种】中文【中图分类】V445与传统降落伞相比,翼伞具有良好的滑翔性能、稳定性和可操纵性等特点[1],这使得翼伞空投系统可从远距离高空投放点精确地将物资装备投送到预定地点,达到定点、无损的要求。
飞机内襟翼运动机构多体动力学仿真分析模型王慧喻天翔崔卫民宋笔锋(西北工业大学航空学院西安,710072)摘要:本文在LMS b Motion平台上建立了几种飞机内襟翼运动机构多体运动学和动力学仿真分析模式,通过对比全刚性体仿真模型、基于滑轨柔性体仿真模型、基于襟翼柔性体仿真模型以及滑轨和襟翼均为柔性体仿真模型的分析结果,意在说明对飞机内襟翼等大型复杂运动结构建立多体动力学仿真模型的流程及方法,为下一步进行大型复杂运动机构运动学及动力学可靠性的分析和探讨提供计算仿真模型的依据。
关键词:内襟翼;多体动力学;仿真;Virtual Motion1、概述由于运动机构不仅要承受和传递载荷,而且还必须完成相应的运动功能,使得机构可靠性问题更具有特殊性,研究难度更大,是目前机械可靠性领域的一个薄弱环节。
一些大型复杂运动机构如襟缝翼运动机构、起落架收放机构等与飞机的安全性有着密切的关系,在其寿命周期内安全可靠地工作是飞机安全性分析与设计中必须要考虑的关键问题。
对于大型飞机上的复杂运动机构,有着复杂载荷环境和结构特性,例如民机的襟翼与滑轨等的支撑机构都固定在机翼上,在飞行过程中,机翼、襟翼和滑轨的变形量都很大(特别对于大型飞机,例如伊尔76的翼尖的最大变形达到1m,某襟翼滑轨的最大变形达到20cm),因此,必须要考虑各种复杂的非线性因素、柔性因素和边界与结合部效应等因素,才能建立更符合工程实际的机构运动学和动力学计算机仿真模型。
同时这也是大型复杂运动机构概率分析的基础。
基于此本文拟针对某内襟翼运动机构,考虑其刚柔耦合特性,在LMS b平台上建立多体动力学运动学和动力学的仿真模型,通过探讨对复杂运动机构的建模处理模式,为进一步进行复杂运动机构概率分析方法研究提供依据。
2、内襟翼连接关系和边界条件分析在LMS Virtual. Lab Motion平台上将内襟翼CATIA CAD模型进行转换,使得该模型包含多个part部分,重新装配这些部件以便进行运动学及动力学仿真。
翼伞空投系统动力学建模与仿真翼伞空投系统是一种重要的空投技术,在军事、救灾等方面有着广泛的应用。
为了对翼伞空投系统进行优化设计,需要对其动力学进行建模和仿真。
本文对翼伞空投系统进行了动力学建模与仿真,旨在为其后续研究提供参考。
首先,本文对翼伞空投系统的力学模型进行了建立。
翼伞空投系统由伞具、棍具和投放装置三部分组成,在空气中受到重力、气动和弹性力等多种外部力的作用。
在建立力学模型时,考虑了各部分之间的相互作用及其对整个系统的影响。
接着,本文将力学模型进行数值模拟,得到了翼伞空投系统在不同情况下的运动轨迹和姿态角。
为了验证数值模拟的准确性,本文还进行了实验,并对实验数据进行了对比分析。
结果表明,数值模拟的结果与实验数据吻合度较高,证明了本文所建立的力学模型和数值模拟的可行性和准确性。
最后,本文对翼伞空投系统进行了性能分析,从安全性、精度和适用性三个方面进行了评估。
结果表明,翼伞空投系统具有较高的安全性和适用性,但在精度方面仍有待提高。
在未来的研究中,可以通过对翼伞空投系统的控制系统进行改进来提高其精度和稳定性。
综上所述,本文对翼伞空投系统的动力学建模与仿真进行了研究,建立了其力学模型并进行了数值模拟。
结果证明,所建立的力学模型和数值模拟方法具有较高的可行性和准确性。
未来的研究可以对翼伞空投系统进行更深入的研究,以提高其性能和应用价值。
为了进一步提高翼伞空投系统的性能,本文还对其性能进行了分析和评估。
在安全性方面,翼伞空投系统在选用合适的投放高度和速度、选择合适的跳伞场地等方面都需进行严格的检查和控制,以确保投放过程中的安全性。
此外,翼伞空投系统的伞具、棍具和投放装置等部件的质量、强度、可靠性等也需进行认真的检查和测试,以保证投放过程中不会出现意外事故。
在精度方面,本文发现翼伞空投系统的精度受多种因素所影响,如空气流动、投放高度和速度、伞具和棍具的设计等。
因此,在优化设计翼伞空投系统时应考虑这些因素,并采取相应的措施进行改进,以提高其精度和可靠性。
第44卷第3期航天返回与遥感2023年6月SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING9大型动力翼伞拖曳起飞动力学研究苏浩东1,2滕海山1,2刘宇1,2吴卓1,2(1 北京空间机电研究所,北京100094)(2 中国航天科技集团有限公司航天进入、减速与着陆技术实验室,北京100094)摘要动力翼伞具有有效载荷大、续航时间长、安全性和可靠性高以及成本低等优点,在军用和民用领域有很大的发展潜力。
文章针对动力翼伞的地面拖曳起飞过程,根据牛顿力学的基本原理,建立了动力翼伞拖曳起飞纵向动力学模型,描述了翼伞拖曳、稳定、放飞过程的运动状态,搭建了动力翼伞运动过程的仿真环境,分别模拟了拖曳过程与放飞后翼伞的运动状态。
通过控制变量比较了翼伞在不同运动参数下的稳定情况,给出了动力翼伞释放的速度、角速度以及角度条件,得出了地面拖曳车辆的合理运动模式及动力翼伞释放时机,对于后续动力翼伞的工程应用具有一定的指导意义。
关键词拖曳起飞 动力学仿真 翼伞摆角 拖曳车运动 动力翼伞中图分类号: V212.13文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2023)03-0009-12 DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.002Research on Towing Take-Off Dynamics of Large Powered Parafoil SU Haodong1,2TENG Haishan1,2LIU Yu1,2WU Zhuo1,2(1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)(2 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, CASC, Beijing 100094, China)Abstract Powered parafoil has the advantages of large payload, long endurance, high safety, high reliability and low cost. It has great development potential in military and civil fields. In this paper, aiming at the ground towing take-off process of power parafoil, according to the basic principle of Newtonian mechanics, a longitudinal dynamic model of power parafoil towing take-off is established to describe the motion state of powered parafoil towing, stability and release process. A simulation environment for the motion process of power parafoil is built. The motion state of the parafoil during towing and after releasing is simulated respectively. The stability of the parafoil in different motion parameters is compared through control variables. The release speed, angular velocity and angular conditions of the power parafoil are given. The reasonable motion mode of the ground towed vehicle and release time of the powered parafoil are obtained, which has certain guiding significance for the engineering application of the follow-up powered parafoil.Keywords towing take-off; dynamics simulation; swing angle; towing vehicle movement; parafoil stability; powered parafoil收稿日期:2022-06-13基金项目:国家自然科学基金(11602018)引用格式:苏浩东, 滕海山, 刘宇, 等. 大型动力翼伞拖曳起飞动力学研究[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(3): 9-20.SU Haodong, TENG Haishan, LIU Yu, et al. Research on Towing Take-Off Dynamics of Large Powered Parafoil[J].10航天返回与遥感2023年第44卷0 引言动力翼伞是在冲压翼伞的基础上发展而来,继承了翼伞优良的气动特性、飞行性能和无人机的控制性能,相较于其他种类的无人机,动力翼伞具有飞行平稳,可控性强,安全可靠与成本低等优势,已经逐渐应用于农林植保、物资投送等军民用领域[1]。
基于ANSYS Workbench软件模拟高空发电翼伞三维结构研究1. 引言1.1 研究背景高空发电翼伞在实际应用中面临着诸多挑战,如结构设计复杂、风载荷分布不均匀等问题。
通过建立有限元模型,利用ANSYS Workbench软件对高空发电翼伞的结构进行模拟分析,可以有效地优化设计方案,提高其运行效率和安全性。
本研究旨在通过ANSYS Workbench软件对高空发电翼伞进行三维结构研究,为其进一步的工程应用提供理论支持和技术参考。
1.2 研究意义高空发电翼伞作为新型的风能发电技术,具有较强的环保和可持续性,能够有效地利用高空气流的能量进行发电。
通过ANSYS Workbench软件对高空发电翼伞的三维结构进行模拟研究,可以帮助我们深入理解其工作原理,优化设计结构,提高发电效率。
研究高空发电翼伞的结构,不仅可以为其在实际应用中提供技术支持和改进方向,还可以为风能发电技术的发展做出贡献。
通过模拟分析,我们可以快速获取数据和结果,节约时间和成本,同时可以对不同参数进行敏感性分析,进一步提高研究的准确性和可靠性。
基于ANSYS Workbench软件的高空发电翼伞三维结构研究具有重要的意义,有助于推动新能源技术的发展,促进可持续能源的利用,为人类未来的能源需求提供可靠的解决方案。
2. 正文2.1 高空发电翼伞的工作原理高空发电翼伞是一种新型的风能利用设备,通过利用高空气流带来的动力来驱动发电机产生电能。
其工作原理主要分为风能捕捉和电能转化两个步骤。
高空发电翼伞利用其翼型设计和特殊结构,能够有效地捕捉高空气流中的风能。
当气流通过翼伞的空气动力学结构时,产生的升力将驱动发电机进行旋转,从而产生电能。
通过电能转化系统,将机械能转化为电能,实现可持续的清洁能源发电。
通过高空发电翼伞的工作原理,在高空气流资源丰富的地区,可以实现高效地利用风能,为人们提供清洁、可再生的能源。
在本研究中,通过对高空发电翼伞的三维结构进行模拟分析,可以进一步优化其设计,提高其工作效率和稳定性,为未来高空风能发电技术的发展提供重要参考。
基于ANSYS Workbench软件模拟高空发电翼伞三维结构研究【摘要】本文基于ANSYS Workbench软件,对高空发电翼伞进行三维结构研究。
在介绍了研究背景、研究目的和研究意义。
接着,对三维结构建模、工程分析、参数优化、稳定性分析和疲劳强度分析进行了详细讨论。
在对模拟结果进行了分析,提出了工程实践指导并展望未来研究方向。
通过本文的研究,可以为高空发电翼伞的设计和优化提供重要参考,有助于提高其稳定性和疲劳强度。
这对于促进高空风能利用的发展具有积极意义。
【关键词】高空发电翼伞、ANSYS Workbench、三维结构、建模、工程分析、参数优化、稳定性分析、疲劳强度分析、模拟结果分析、工程实践指导、未来展望、研究背景、研究目的、研究意义。
1. 引言1.1 研究背景高空发电技术是一种利用风能在高空地区进行发电的新型技术。
随着能源需求的增加和传统能源资源日益枯竭,高空发电技术被认为是未来可持续发展的重要途径之一。
翼伞作为高空风力发电装置的重要组成部分,其结构设计和性能分析对于提高高空发电效率和稳定性具有重要意义。
目前,随着计算机软件技术的不断发展和完善,基于ANSYS Workbench软件进行高空发电翼伞三维结构模拟研究成为可能。
该软件能够模拟复杂的结构和载荷情况,为工程师提供准确的分析和设计数据,从而指导实际工程实践。
本研究旨在利用ANSYS Workbench软件对高空发电翼伞的三维结构进行建模和分析,探讨其工程性能和稳定性,为高空发电技术的进一步发展提供理论支撑和实践指导。
通过研究翼伞的参数优化、稳定性分析和疲劳强度分析,可以为高空发电技术的工程实践提供参考,并为未来的技术改进和发展提出建议。
1.2 研究目的研究目的是通过ANSYS Workbench软件模拟高空发电翼伞的三维结构,探索其在实际工程应用中的可行性和优化方向。
具体包括对翼伞结构的建模过程、力学分析、参数优化、稳定性分析以及疲劳强度分析等方面进行深入研究,为高空发电技术的发展提供理论基础和工程实践指导。
翼伞九自由度动力学建模与仿真
研究翼伞动力学涉及到动力学建模以及翼伞气动特性等方面,对于翼伞的操稳特性分析以及总体设计具有极为重要的意义。
本文主要利用当前主流的9自由度模型分析翼伞的运动特性。
9自由度模型是在6自由度模型的基础上增加了翼伞与载荷的3个相对运动自由度,可以较为完整的反应翼伞系统的运动情况。
本文利用九自由度模型仿真翼伞在不同后缘下偏控制条件下的运动,并分析翼伞安装角参数对于翼伞运动的影响。
1 翼伞动力学建模与参数设置
1.1 坐标系及坐标转换
将翼伞系统简化为翼伞与载荷两个刚体,通过铰链c连接,翼伞与载荷可绕连接点c自由转动。
如图1所示,翼伞系统坐标系为(Xc,Yc,Zc),其中原点为系统质心c,坐标轴平行于地面坐标系(Xe,Ye,Ze);翼伞体坐标系为(Xp,Yp,Zp),其原点位于翼伞质心p,本文假设翼伞质心位于翼伞中轴线上;载荷体坐标系为(Xb,Yb,Zb),其原点位于载荷质心b。
翼伞质心p与连接点c的连线与翼伞Zp轴的夹角μ为翼伞安装角,安装角决定了翼伞相对于系统整体的位置。
上述各式中,为附加质量与惯量,可以利用Lissaman与Brown的经验公式计算得到;,以伞翼、载荷质心到连接点C矢量的叉乘矩阵;,为载荷舱、伞翼转动角速度;Ma为在载荷舱
坐标系下的翼伞与载荷舱相对扭转产生的扭转力矩。
1.2.1 翼伞基本参数
翼伞具体设计参数如表1所示。
1.2.2 翼伞气动力处理
气动参数处理主要通过理论估算的方法获得。
气动力计算公式和系数来源于相关文献[1],升阻系数以及俯仰力矩系数由Lingrad提供的数据[2]插值得到其余系数根据相关文献[3]估算得到。
2 翼伞运动仿真
对翼伞施加后缘单侧下偏控制后,会使翼伞受到非展向对称的气动力,进而实现转弯运动。
令翼伞首先进行滑翔运动,在50s时施加50%左侧下偏操纵,记录翼伞运动情况。
图2显示了翼伞的运动轨迹。
施加单侧下偏控制前,翼伞作直线运动,输入单侧下偏控制后,翼伞在水平方向上作圆周运动。
图3、图4、图5以及图6显示了翼伞状态量的变化。
从图中可以看出,当施加单侧下偏控制时,由于翼伞气动力的变化,翼伞系统总体运动水平速度和垂直速度都产生振荡,翼伞和载荷舱的俯仰角与滚转角也都出现轻微的振荡,且载荷舱的振荡频率比翼伞的高,收敛时间更长。
翼伞与载荷舱的相对俯仰角与相对滚转角基本不变。
3 结论
本文利用翼伞9自由度动力学模型进行仿真,研究分析了翼
伞的运动特性,以及安装角对于翼伞运动特性的影响。
得出以下结论。
(1)本文能够清晰的反应翼伞滑翔、转弯、雀降等飞行状态,说明建模方案可行。
(2)气动力分析对翼伞建模的准确性具有决定性作用,需要更加深入的分析。