哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
为了提高空间利用率，现在许多飞行器采用折叠翼设计。但受到加工精度的影
响，折叠机构的配合表面会不可避免地出现间隙，对折叠翼的动力学及颤振特性造
成影响。同时，舵机内部具有传动系统和控制回路，舵机内部也会存在非线性，其
动态特性会对折叠舵的动力学特性产生影响。因此，为了更深入认识舵系统非线性
动力学及颤振特性，需要建立含有多环节非线性的舵系统模型，进而厘清各非线性
环节的影响关系。
首先进行折叠舵的动力学建模。对折叠舵进行振动台基础激励试验，激励方式
为扫频激励，得到了折叠舵前两阶共振频率的变化规律：一阶共振频率随激励量级
的增大而增大，具有渐硬特性，二阶共振频率随激励量级的增大而减小，具有渐软
特性。借鉴子结构固定界面模态综合法的思想，建立了折叠舵面降阶动力学方程，
降低了系统的自由度，同时保留了可插入非线性连接恢复力的自由度。针对折叠舵
振动台试验结果，利用双曲正切函数设计了间隙内刚度渐软的折叠机构非线性连
接模型，将该非线性模型加入到舵面降阶方程中。利用试验结果对折叠机构非线性
模型参数进行修正，最后仿真误差在8%以内，在工程误差可接受的范围内可认为
舵面模型是准确的。
再进行舵系统的动力学建模。使用激振器对舵系统进行扫频激励试验，发现舵
系统的前两阶共振频率均随着激励量级的增大而增大。舵机的仿真模型由舵机公
司提供，舵面模型由上部分研究内容得到，二者通过根部连接环节进行耦合。根部
连接采用理想间隙非线性模型。使用试验结果对根部连接模型的参数进行确定，最
后仿真与试验的误差在6%以内，在工程误差允许的范围内可认为舵系统的模型是
准确的。研究了根部和折叠机构非线性连接环节对舵系统动力学性能的影响规律，
研究表明，舵系统的前两阶共振频率与折叠机构非线性连接处的相对位移的运动
情况有关，改变各连接参数，会影响到折叠机构连接处的相对位移运动，进而影响
到舵面的运动，最终对前两阶共振频率产生影响；舵系统的一阶共振频率只对根部
连接扭转自由度的接触刚度较灵敏；除了根部连接扭转自由度间隙，二阶共振频率
对其余非线性连接参数均灵敏。
最后进行折叠舵及舵系统的颤振分析。使用活塞理论对气动力进行建模，在折
叠舵模型基础上施加气动力并进行线性与非线性颤振分析。结果表明，为了避免颤
振的发生，需要减小折叠机构间隙和增大其连接刚度。在舵系统模型基础上施加气
动力，研究根部和折叠机构非线性连接对舵系统颤振特性的影响，得到结论：为了
I
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减缓颤振影响，应当减小根部弯曲间隙和增大根部弯曲刚度，增大根部扭转间隙，
减小折叠机构处的间隙以及增大折叠机构处的刚度。
关键词：折叠舵面；舵系统；间隙非线性；颤振；活塞理论
II
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Abstract
Inordertoimprovethespaceutilization,manyaircraftsaredesignedwithfolding
wings.However,duetotheinfluenceofmanufacturingaccuracy,itisinevitablethatgaps
willexistsinthefoldingmechanism,whichwillaffectthedynamicsandflutter
characteristicsofthefoldingwing.Meanwhile,therearetransmissionsystemsand
controlloopsinsidetheactuator,andtherealsowillbenonlinearityinsidetheactuator.
Thus,thedynamiccharacteristicsofactu