翼伞九自由度动力学建模与仿真-精选资料

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无人机前开伞式降落过程动力学建模与仿真

摘
要文章分析了某型无人机降落伞回收阶段的动力学过程，对各工作阶段的无人机和降落伞的组
合体进行了数学建模，用Ｍａａ使ｔｂ软件中的Ｓｍｕｎｌｉｌｋ组件搭建了无人机伞降过程的仿真模型，照真实飞ｉ按 ห้องสมุดไป่ตู้和回收工况进行了计算，通过仿真结果与试验数据的比较，验证了模型的正确性。
ｒｃｖｒｙｔｍ．ｈｎＵＡＶ－ａａｈｔｓｅｌＳｍａｈｍａｉａｄｌｏａｈｐｒｄｉｈｓｐｏｅｓｉｂｉ．ｅｏｅｙｓｓｅＴｅｐｃｕｅａｓｍｂｙ’ ｔｅｔｌｍｏｅｆｅｃｅｏｎｔｉｒｃｓｓｕｌｒｃｉｔＢｓｄｏｈｓｉｌｔｎｍｏｅｆｔｉｒｃｓｓｓｔｕｙＭａｌｂＳｍｕｉｋｓｆｒｅｌｃｌｔｎｉｍａｅａｅｎｔｉ，ｓｍｕａｉｄｌｏｈｓｐｏｅｓｉｅｐｂｔ／ｉｌｏｔｏａｎｗａ．ＣａｕａｉｓｏｄａｃｒｉｇｔｅｔｒｉｇｃｎｉｏｆＵＡＶｒｃｖｒｒｃｓ．Ｉｈｎ，ｔｅｓｍｕａｉｎｍｏｅ ’ ｏｒｃｎｓｓｃｏｄｎｏｔｓｗｏｋｎｏｄｔｎｏｉｅｏｅｐｏｅｓｎｔｅｅｄｈｉｌｔｄｌＳｃｒｅｔｅｓｉｙｏｖｒｉｄｔｒｕｈｃｍｐｒｓｎｏｉｌｔｎｒｓｌａｄｔｓｄｔ．ｅｆｈｏｇｏａｉｏｆｓｍｕａｉｅｕｔｎｔａａｉｅｏｅＫｅｗｏｄＵｍａｎｄａｒｌｅｉｌｓａａｈｔＭｏｅｉｇｉｌｔｎｅｏｅｅｈｏｏｙｙｒｓｎｎｅｅａｈｃｅＰｒｃｕｅｉｖｄｌＳｍｕａｉＲｃｖｒｔｃｎｌｇｎｏｙ

飞行器动力学建模与仿真解析

飞行器平台与系统工程人才培养(2)
国内以航空航天为特色的院校，在控制领域都具有很强的实力，这也充分说明了控制的学习与研究如果脱离了实际对象将成为无源之水，无本之木。
课程主要内容
飞行器动力学的力学基础(解释飞行器为何能飞以及改变其飞行状态的机理)；
飞行器的制导(飞行器的飞行轨迹是怎样设计的以完成特定的任务)；
适当时候系统回顾一下所学的东西，梳理出条理，理解物理本质，取其精华，去其糟粕。
课程介绍
结束
第二部分
飞行力学中的基本概念
基本概念
飞行器的受力；升力如何产生；制导、导航与控制的关系；
飞机为何能飞(1)
推力来源：发动机.
阻力来源：空气对机身的阻力和摩擦力.
升力来源：伯努利原理.
重力来源：万有引力.
•一切都要经过实践的检验，要么辨明存在的价值，要么放弃存在的理由。
教学目的
了解作为一个控制工程师或者系统工程师最基本的工作流程和规范，怎样入手、分析和解决问题以及如何进行系统验证；
以飞行器为平台，借助于直观的物理理解和直觉，帮助学生深入理解和体会已学的控制知识；
帮助学生树立折中、辩证的系统观，抓住事物的主要矛盾，简化问题，建立正确的美学观念；
绍；飞行力学中的一些基本概念；飞行器飞行的力学原理；飞行器动力学与运动学方程组的建立；飞行器力学的模型简化与分析；飞行控制的设计；飞行轨迹与导引(制导)规律设计；一些新方法的介绍；
第一部分
课程介绍
开课目的
帮助学生理解控制知识怎样应用到实践中去，理清思路。
工程师没有学很多的理论，可是能解决很多实际问题；而现在控制理论教学与研究的问题是：学生学了很多理论和公式，却很茫然。学了很多数学符号如何与工程师交流？

(完整版)动力学建模方法与解法总结

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。

旋转伞-子弹系统动力学建模与仿真

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｔｉｏｎｏｆｒｏｔａｔｉｎｇｐａｒａｃｈｕｔｅ — ｓｕｂｍｕｎｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ａ
（南京理工大学智能弹药技术国防重点实验室，南京２１００９４）摘要：为了更精确地模拟旋转伞一子弹系统的运动，基于第一类拉格朗日方程，建立了５刚体动力学模型并进行仿真计算。将伞绳处理为阻尼弹簧，将伞、弹等处理为刚体，用质心坐标和欧拉角作为广义坐标表达各刚体的位置，给出了约束方程，求解广义力；建立了伞一弹系统动力学方程。利用模型对伞一弹系统的零初速下落过程进行仿真计算，得到子弹的转速及扫描角变化曲线，并设计伞塔试验对计算结果进行验证。对某末敏子弹系统的稳态工作
ｒｉｇｉｄｂｏｄｉｅｓ．ＴｈｅｃｅｎｔｒｏｉｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓａｎｄＥｕｌｅｒａｎｇｌｅｓｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｂｏｄｉｅｓ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｅｑｕａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｆｏｒｃｅｓｗｅｒｅ

旋转伞子弹系统动力学建模与仿真

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弹道学报
第 27 卷
æ cosφi cosψi -sinφi cosθi sinψi
Ai = -sinφi cosψi -cosφi cosθi sinψi
è
sinθi sinψi
cosφi sinψi +sinφi cosθi cosψi -sinφi sinψi +cosψi cosθi cosψi
Dynamics Modeling and Simulation for Rotating Parachute-submunition System
MA Xiao-dong,GUO Rui,LIU Rong-zhong,LV Sheng-tao
(Ministerial Key Laboratory of ZNDY,NUST,Nanj ing 2 1 0 0 9 4 ,China)
第3期
马晓冬,等旋转伞子弹系统动力学建模与仿真
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运动跨度大 ,外部测试系统对其进行捕捉亦有难度。所以,理论建模和数值模拟研究该问题是一种更可行、更经济的手段。降落伞载物系统是一种复杂的动力学系统,相关领域学者已提出许多动力学建模方法[1 -10]。对于旋转伞子弹系统,文献 [1 1 ]将连接旋转伞与子弹的装置处理为球铰,建立伞弹系统 9 自由度模型,得到弹道结果和动力学行为;文献[1 2 ]考虑末敏弹系统的连接方式、约束和伞绳弹性,建立伞、伞盘、弹 3 刚体系统运动的数学模型,计算结果与实测运动规律和扫描特性相符;文献 [1 3 ] 基于 Kane 方法,将旋转伞视为柔体,建立 1 0 自由度伞弹系统刚柔两体动力学模型,得到某型末敏弹系统稳态扫描段的弹道结果。可见,已有研究中的旋转伞子弹系统动力学模型均经过了适当的简化。

动力翼伞系统拟坐标形式的多体动力学建模

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

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

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）。

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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。