《Aeroservoelasticity: Modeling and Control》

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《Aeroservoelasticity: Modeling and Control》
气动伺服弹性：建模与控制
作者：
Ashish Tewari
Department of Aerospace Engineering
Indian Institute of Technology, Kanpur
出版社：Springer
出版时间：2015年

《Aeroservoelasticity: Modeling and Control》

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目录
1 Aeroservoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 An Illustrative Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Structural Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Static Load Deflection Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Beam-Shaft Idealization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Lumped Parameters Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6 Rayleigh-Ritz Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.7 Finite-Element Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7.1 Weak Formulation and Galerkin’s Approximation . . . . . . . . . 33
2.7.2 Euler-Bernoulli Beam and Shaft Elements . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7.3 Illustrative Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.7.4 Plate Bending Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3 Unsteady Aerodynamic Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.1 Viscous Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.2 Inviscid Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.3 Potential Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.4 Transonic Small-Disturbance Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3 Linearized Subsonic and Supersonic Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4 Incompressible Flow Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.1 Unsteady Vortex-Lattice Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.2 Classical Analytical Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.5 Integral Equation for Linear Compressible Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.5.1 Velocity Potential Formulation by Green’s Theorem . . . . . . . 102
3.5.2 Acceleration Potential Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.6 Subsonic Kernel Function and the Doublet-Lattice Method . . . . . . . . 116
3.6.1 Numerical Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.7 Supersonic Lifting Surface Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.7.1 Mach-Box Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.7.2 Doublet-Point Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.8 Transonic Small-Disturbance Solution by Green’s Function Method 144
3.8.1 Transonic Green’s Integral Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.8.2 Transonic Doublet-Lattice Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4 Finite-State Aeroelastic Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.1 Finite-State Unsteady Aerodynamics Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.1.1 Traditional Flutter Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.1.2 Unsteady Aerodynamics in Time Domain . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.2 Transient Aerodynamics in Two-Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.2.1 Rational Function Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.2.2 Indicial Admittance by Duhamel’s Integral . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.2.3 Transient Aerodynamics in Three-Dimensions . . . . . . . . . . . . 167
4.2.4 Alternative Methods for 3D Transient Aerodynamics . . . . . . . 179
4.2.5 Direct Integration of Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.3 State-Space Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.3.1 Typical Section Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
4.3.2 Three-DimensionalWing Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.3.3 Illustrative Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5 Linear Aeroelastic Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.2 Linear Feedback Stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
5.2.1 Servo-Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.3 Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.3.1 Hamilton-Jacobi-Bellman Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
5.3.2 Linear Systems with Quadratic Performance Index . . . . . . . . 216
5.4 Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.5 Infinite-Horizon Linear Optimal Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
5.6 Adverse Aereoservoelastic Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.6.1 Closed-Loop Stabilization of the ASE System . . . . . . . . . . . . 233
5.6.2 Active Maneuver Load Alleviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.7 Robust Control of Linear Time-Invariant Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.7.1 LQG/LTR Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
5.7.2 H2/H∞ Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
5.8 Active Flutter Suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6 Nonlinear Aeroservoelastic Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.1 Nonlinear Aeroservoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.2 Describing Functions for Nonlinear ASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.3 Flapping-Wing Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
6.3.1 Lift and Thrust for Flapping Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
6.4 Shock-Induced Buffet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
6.5 Transonic Flutter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
6.5.1 Adaptive Suppression of Transonic LCO: Illustrative Example 273
Appendix A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Appendix-B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Appendix-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Appendix-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311


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