北航飞行力学实验班飞机典型模态特性仿真实验报告精.docx

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1、航空科学与工程学院飞行力学实验班课程实验飞机典型模态特性仿真实验报告学生姓名:姜南学号:11051136专业方向:飞行器设计与工程指导教师:王维军(2014年6月29日一、实验目的飞机运动模态是比较抽象的概念,是课程教学中的重点和难点。本实验针对这一问题,采用计算机动态仿真和在人-机飞行仿真实验平台上的驾驶员在环仿真实验,让学生身临其境地体会飞机响应与模态特性的关系,加深对飞机运动模态特性的理解。二、实验内容1.纵向摸态特性实验计算某机在某状态下的短周期运动、长周期运动的模态参数;进行时域的非实时或实时仿真实验,操纵升降舵激发长、短周期运动模态,并由结果曲线分析比较模态参数;放宽飞机静稳定性,

2、观察典型操纵响应曲线,并通过驾驶员在环实时仿真体验飞机的模态特性变化。2横航向模态特性实验计算某机在某状态下的滚转、荷兰滚、螺旋模态参数;进行时域仿真计算,操纵副翼或方向舵,激发滚转、荷兰滚等运动模态,并由结果曲线分析比较模态参数。三、各典型模态理论计算方法及模态参数结果表1纵向模态纵向小扰动运动方程OOOO100OePePepuweuwqpuwqXXuuXXgZZwwZZZqqMMMMM1F1-1II1I1I1I1I111111111I=111111111I1111111II11I1I1J1JUU1JuXwZuZw0-gZqOMuMw0Mq010=H).01999980.0159027-0.

3、0426897-0.04034850-32.2869.62790-0.00005547-0.001893500-0.54005010A的特征值方程+0.0199998-0.01590270.0426897+0.0403485032.2-869.627900.000055470.001893500+0.540050-1I=O特征根1,2=-0.2906572059791371.25842158268078i3,4=-0.009541944020863110.0377636398212079i半衰期t1/2由公式t12=-1n2求得,分别为t12,1=2.38475828674173st12,3=

4、72.6421344585972s振荡频率分别为1=1.25842158268078rads3=0.0377636398212079rads周期T由公式T二2求得,分别为T1=4.99290968436404sT3=166.381877830828s半衰期内振荡次数N1/2由公式N1/2=t1/2T求得,分别为N1/2,1=0.436598837599716周N1/2,3=0.477628965372620周模态参数结果表如下：特征根t1/2/s(radsTsN1/2倜模态命名-0.29071.2584i2.38481.25844.99290.4366短周期模态-0.00950.0378i72

5、.64210.0378166.38190.4776长周期模态2横航向模态横侧小扰动方程为OOOarararvpraVprrvprYYvvYYYgp11p111rrNNNNN111F1I111111111111111111I=1III1I1I1I1I1I1I1I1I1I1I1J1J1J1J1JA=YvYEp1v1EpYrg1rONvNp01NDrOO0=-0.06059630-0.0015153-0.4602834-87132.20.28001300.00111489-0.020782201-0.140994000A的特征值方程+0.060596300.0015153+0.4602834871-

6、32.2-0.2800130-0.001114890.02078220-1+0.1409940I=O特征根1=-0.5292247528345962=0.005942711425668563,4=-0.06929582929553631.00201868823874i半衰期t1/2由公式t12=-1n2求得,分别为t1/2J=1.30974066660216st1/2,2=-116.638202818668st1/2,3=10.0027258149084s1和2对应的运动不存在振荡,没有振荡频率、周期和半衰期内振荡次数。3,4对应的运动的振荡频率为3=1.00201868823874rads3

7、,4对应的运动的周期T由公式T二2求得,为T3=6.27052706793684s3,4对应的运动的半衰期内振荡次数N1/2由公式N1/2=t1/2T求得,为N1/2,3=1.59519697571444周模态参数结果表如下：特征根t12s(radsT/sN1/2/周模态命名-0.52921.3097-滚转收敛模态0.0059-116.638一螺旋模态-0.06931002i10.00271.00206.27051.5952荷兰滚模态四、通过仿真获得的5种典型模态的动态响应结果曲线,及各曲线实验方式（算法/步长/具体激发方式等说明,包括由作图法（时域分析法求得的各模态参数,并与理论计算结果对比

8、分析。（注:要求有作图痕迹1纵向模态：长周期模态:积分步长=0.011秒,方法欧拉法,输入量输入方式为升降舵,阶跃输入,宽度为006rad,40000步,40000帧。动态响应结果曲线分别如下:t-A图像:t-AV图像：tq图像:tAO图像a1haOOO-O01-o02-o03-004-卜.005-1)06-.I007-111111111111111111O5010015020025030035040045(TmeOOO-O02-003-004-卜-005-1-006-007-1-r05010015020025030035040045Tme取tV图像作图,按作图法求得模态参数如下:图中较密竖线

9、间为半衰期,较稀竖线间为周期。由作图法可得,半衰期t12=94.4929s,周期T=166.37s,进而可得振荡频率=0.0377rads,半衰期内振荡次数N12=0.5680周。各参数与理论计算结果对比表如下：模态参数t12s(radsT/sN1周理论值72.64210.0378166.38190.4776实测值94.49290.0377166.370.5680误差30.08%0.00714%-0.00714%18914%实测值中,周期和振荡频率与理论值相比相差无几,吻合度相当高;而半衰期误差较大,并进而导致半衰期内振荡次数也有一定误差。纵向长周期模态的特点为:飞行速度和俯仰姿态角缓慢变化,

10、周期长,衰减慢。主要原因:由于飞机的质量较大,而起恢复和阻尼作用的气动力ZVAV和XAV相对比较小,所以作用在飞机上的外力处于不平衡状态持续较长时间,重力和升力的作用使飞机航迹和速度变化。短周期模态:积分步长h=0.011秒,方法欧拉法,输入量输入方式为升降舵,阶跃输入,宽度为006rad,1500步500帧。动态响应结果曲线分别如下：t-图像:tAV图像：tq图像:tAO图像取tq图像作图,按作图法求得模态参数如下:图中较密竖线间为半衰期,较稀竖线间为周期。由作图法可得,半衰期t12=2.8089s,周期T=4.983s,进而可得振荡频率=1.2609rads,半衰期内振荡次数N12=0.5

11、637周。各参数与理论计算结果对比表如下：模态参数t12s（radsT/sNI周理论值2.38481.25844.99290.4366实测值2.80891.26094.9830.5637误差17.786%0.0020%-0.00714%29.111%实测值中,周期和振荡频率与理论值相比相差无几,吻合度相当高;而半衰期误差较大,并进而导致半衰期内振荡次数也有较大误差。纵向短周期模态的特点为:迎角和俯仰角速度变化,而速度基本不变,周期短（一般为数秒量级,衰减快。其主要原因是:一般飞机均具有较大的静稳定力矩（恢复力矩Ma会引起飞机较大的角加速度,使飞机的迎角和俯仰角迅速变化。另一方面,飞机的阻尼力矩

12、Mqq也比较大,在震荡运动会产生较大的阻尼作用,使飞机的旋转运动很快的衰减下来,飞机的力矩在前几秒钟内基本恢复到原来的平衡状态。2横航向模态：滚转收敛模态:积分步长h=0.011秒,方法欧拉法,输入量输入方式为方向舵,阶跃输入,宽度为0.06rad,120,120帧。动态响应结果曲线分别如下:Sp图像:tr图像：I)F=I滚转收敛模态的特点为:主要表现为飞机滚转角速度P和滚转角的迅速变化,而其他参数变化很小。一般来说,飞机的滚转转动惯量IX通常比偏航转动惯量IZ小得多,在外界的扰动下,飞机很容易产生滚转,而不太容易产生偏航。并且滚转阻尼导数1P较大,使运动很快衰减。螺旋模态:积分步长h=0.0

13、11秒,方法欧拉法,输入量输入方式为方向舵,阶跃输入,宽度为0.06rad,50000步,50000帧。动态响应结果曲线分别如下:Sp图像:tr图像：t图像:OIttti1NI251JO1M“04iSHi1T*M横向螺旋模态的特点为:主要表现为扰动运动后期偏航角和滚转角单调而缓慢的变化。扰动后期参数P、r的变化均很小,因而作用在飞机上的侧力和横航向力矩也很小,加上飞机的偏航转动惯量较大,而偏航阻尼力矩又较小。荷兰滚模态:积分步长h=0.011秒,方法欧拉法,输入量输入方式为方向舵,阶跃输入,宽度为0.06rad,1800步,1800帧。动态响应结果曲线分别如下:tp图像:tr图像：F=3F=由

14、作图法可得,半衰期t12=9.471s,周期T=6.23s,进而可得振荡频率3=1.0085rads,半衰期内振荡次数N1/2=0.5637周。各参数与理论计算结果对比表如下：模态参数t12s(radsT/sN1/2/周理论值10.00271.00206.27051.5952实测值9.4711.00856.230.5637误差-5.316%0.6505%-0.06463%4.6999%实测值中,周期和振荡频率与理论值相比相差无几,吻合度相当高;而半衰期和半衰期内振荡次数虽然也有一定误差,但误差较小。荷兰滚模态的特点为:飞机一面来回滚转,一面左右偏航,同时带有侧滑。假定飞机受到一个向右滚转的扰动,因而出现正的侧滑角,同时产生两个静稳定力矩1和N,N使飞机左滚,滚转角减小,N使飞机右偏航,逐渐减小。飞机在滚转和偏航的过程中,由于阻尼力矩1PP和Nrr的作用,使P和r不断降低。