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        飛行器質(zhì)心偏差極限值計(jì)算方法研究

        2021-08-17 07:29:14張艷玲劉佳佳
        宇航計(jì)測技術(shù) 2021年2期

        張艷玲 洪 蓓 劉佳佳

        (北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

        1 引 言

        飛行器質(zhì)量特性主要包括質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量(必要時也包括慣性矩),是飛行器氣動、彈道、制導(dǎo)、姿控、載荷等專業(yè)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。由于材料、制造、測量等不確定因素的存在,飛行器質(zhì)量特性真實(shí)值與測量值、理論值之間不可避免的存在差異,此外,在飛行器設(shè)計(jì)的初始階段,由于設(shè)計(jì)尚未完全完成,設(shè)計(jì)狀態(tài)不能固化,最終實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量特性與初始預(yù)估的質(zhì)量特性之間也會存在差異。因此,飛行器的設(shè)計(jì)必須采用偏差包絡(luò)設(shè)計(jì),即飛行器設(shè)計(jì)需要對質(zhì)量特性偏差存在一定的容忍程度。

        為了評估質(zhì)量特性偏差對相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)的影響,采用適當(dāng)?shù)姆椒ù_定質(zhì)量特性的標(biāo)準(zhǔn)值、極限值及其偏差分布是飛行器設(shè)計(jì)中重點(diǎn)需要關(guān)注的問題,也是飛行器總體設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。

        在質(zhì)量質(zhì)心偏差分析(包括偏差的分布)研究中,傳統(tǒng)上采用理論分析方法較多,近年來也較多的采用了數(shù)值方法,但相關(guān)文獻(xiàn)對偏差的極限值研究相對較少,特別是對于質(zhì)心偏差極限值,由于其與相關(guān)參數(shù)的非線性關(guān)系,不存在通常意義上的理論解析解,計(jì)算存在一定難度,相關(guān)文獻(xiàn)給出的計(jì)算方法未能較為有效的對其進(jìn)行分析。實(shí)際上,質(zhì)量質(zhì)心偏差的分析問題屬于飛行設(shè)計(jì)中不確定性設(shè)計(jì)的一部分,采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對其研究具有廣闊的前景。

        2 質(zhì)量質(zhì)心及其偏差計(jì)算模型

        對飛行器建立質(zhì)心計(jì)算坐標(biāo)系,如圖1所示,坐標(biāo)系原點(diǎn)O為飛行器頂點(diǎn),OX軸沿飛行器縱軸指向尾部為正,OY軸位于飛行器縱向?qū)ΨQ面與OX軸垂直,指向上為正,OZ軸與OX、OY軸構(gòu)成左手坐標(biāo)系。

        圖1 質(zhì)心計(jì)算坐標(biāo)系

        不失一般性,按艙段進(jìn)行分析,設(shè)飛行器由N個艙段組成,第i個艙段的質(zhì)心為

        M

        ,軸向質(zhì)心位置為

        X

        ,總質(zhì)量為

        M

        ,總質(zhì)心為

        X

        ,則

        (1)

        (2)

        對式(1)兩邊取微分,可得質(zhì)量偏差分布:

        (3)

        對式(2),將

        M

        移到等號左邊,兩邊取微分得到:

        (4)

        對式(4)移項(xiàng)并將式(3)代入整理得到:

        (5)

        2.1 質(zhì)量偏差極限值理論近似分析方法

        由于式(3)為線性非耦合方程,可以直接計(jì)算

        M

        的極限值,為:

        (6)

        同時,按概率論,若認(rèn)為

        M

        之間是獨(dú)立不相關(guān)的,且服從正態(tài)分布,可取其均方根作為偏差極限值的估計(jì)值,為:

        (7)

        2.2 質(zhì)心偏差極限值理論近似分析方法

        不同于質(zhì)量計(jì)算公式,因?yàn)橘|(zhì)心計(jì)算公式,即式(2)和式(5)為非線性耦合方程,無法直接計(jì)算質(zhì)心

        X

        的極限值。一種偏理論分析方法可采用將按

        δX

        按質(zhì)量

        M

        進(jìn)行加權(quán)平均,并取其線性疊加作為偏差極限值的估計(jì)值,即:

        ((

        δM

        )|(

        X

        -

        X

        )|+

        M

        (

        δX

        ))

        (8)

        若認(rèn)為

        M

        X

        是不相關(guān)的且服從正態(tài)分布,可取其均方根作為偏差極限值的估計(jì)值,為:(

        δX

        )=

        (9)

        文獻(xiàn)[2]給出的一種直接由各艙段質(zhì)心偏差取均方根計(jì)算全彈質(zhì)心偏差的估計(jì)值,如式(10)所示,由于其沒有考慮質(zhì)量的權(quán)重,使用不多。

        (10)

        式(8)、(9)只是一種近似解,若采用數(shù)值方法,可以直接獲得高精度的數(shù)值解。

        2.3 質(zhì)心偏差極限值數(shù)值分析方法

        設(shè)各艙段質(zhì)量

        M

        的下限值、中間值、上限值分別為

        M

        、

        M

        、

        M

        ,各艙段質(zhì)心

        X

        的下限值、中間值、上限值分別為

        X

        X

        、

        X

        ,質(zhì)心的極限值問題轉(zhuǎn)換為求解在各艙段所有質(zhì)量、質(zhì)心組合情況下的合成總質(zhì)量及質(zhì)心。

        主要方法有:

        (1)窮舉法:

        窮舉法用于求出各艙段質(zhì)量、質(zhì)心取要求值的所有情況,計(jì)算所有組合情況下的值再比較得到極限值。針對中值、下限、上限共3種情況,總組合數(shù)量

        N

        為:

        N

        =3^(2

        N

        )

        (11)

        可見總組合數(shù)量為指數(shù)級別增長,計(jì)算量較大,但好處在于思路簡單,窮舉所有情況后一定可以獲得邊界值(即極限值)。

        (2)蒙特卡洛方法:

        蒙特卡洛方法針對不確定性參數(shù)取值按一定分布規(guī)律進(jìn)行抽樣,計(jì)算各個樣本點(diǎn)對應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)值,由此依據(jù)不確定性變量信息來分析系統(tǒng)響應(yīng)的概率分布特征以及其他統(tǒng)計(jì)量。

        對本文討論的質(zhì)量質(zhì)心偏差問題,可先假設(shè)質(zhì)量質(zhì)心的概率分布,抽樣后計(jì)算合成的總質(zhì)量和質(zhì)心。根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,艙段的質(zhì)量、質(zhì)心可認(rèn)為服從正態(tài)(高斯)分布,質(zhì)量質(zhì)心統(tǒng)計(jì)意義上的偏差極限值可取為3

        σ

        值。

        從理論上講,當(dāng)取樣數(shù)量足夠大時,不但可獲得偏差極限值的近似值,還可以獲得偏差的概率分布值,這是蒙特卡洛方法的主要優(yōu)點(diǎn)之一。但是由于概率的存在,取到邊界極限值的概率較小,獲得質(zhì)心邊界值(即真實(shí)極限值,接近100%概率)的計(jì)算效率不高。

        因此,在分析質(zhì)量質(zhì)心偏差極限值時,考慮到正態(tài)分布邊界情況概率密度較低,可以假設(shè)質(zhì)量質(zhì)心分布為均勻分布,人為提高極限值的出現(xiàn)概率。

        (3)數(shù)值優(yōu)化方法:

        按照最優(yōu)化理論,可將極限值問題求解轉(zhuǎn)換為求在艙段質(zhì)量、質(zhì)心分布約束下的總質(zhì)量、總質(zhì)心的最優(yōu)化問題。

        總質(zhì)量是各艙段質(zhì)量的線性組合,直接取艙段邊界極值即可獲得邊界值。

        總質(zhì)心由于是各艙段質(zhì)量的非線性組合,需要進(jìn)行數(shù)值求解,數(shù)學(xué)模型為:

        (12)

        式(12)是一個標(biāo)準(zhǔn)的單目標(biāo)多約束最優(yōu)化問題,其中約束僅僅是區(qū)間約束,是一類較為簡單的最優(yōu)化問題,優(yōu)化求解方法較多,收斂也較快。

        3 典型飛行器極限值分析

        3.1 典型飛行器長度及質(zhì)量參數(shù)

        采用文獻(xiàn)給出的一種具有4個艙段的空空導(dǎo)彈各艙段長度、質(zhì)量數(shù)據(jù)作為計(jì)算輸入數(shù)據(jù),并按工程經(jīng)驗(yàn)給出質(zhì)心、質(zhì)心偏差及質(zhì)量偏差的假設(shè)值,如表1所示。表中偏差均可取正負(fù)。

        表1 艙段及全彈長度及質(zhì)量參數(shù)Tab.1 MissileLength,Cabin sLengthandMassParameters艙段艙段長度/m艙段質(zhì)量/kg艙段質(zhì)心/m艙段質(zhì)心偏差/m艙段質(zhì)量偏差/kg艙段10.4076.10.20350.010.3艙段20.33619.70.5750.011.0艙段30.3556.50.92050.010.3艙段42.552127.72.3740.025.0全彈3.650160.02.0107——

        采用第2章所述方法,對偏差極限值(只考慮最小值,考慮最大值時方法類似)進(jìn)行計(jì)算分析如下。

        3.2 窮舉法計(jì)算值

        采用窮舉法對所有可能情況進(jìn)行窮舉,總可能數(shù)目為6561種,計(jì)算的得到的“質(zhì)心-質(zhì)量”聯(lián)合分布如圖2所示。由圖2可得質(zhì)量、質(zhì)心的極限值。

        圖2 質(zhì)心-質(zhì)量窮舉對應(yīng)情況

        3.3 蒙特卡洛法計(jì)算

        假設(shè)艙段質(zhì)量偏差和質(zhì)心偏差分別為正態(tài)和均勻分布兩種情況,采用蒙特卡洛法對全彈質(zhì)心的最小值進(jìn)行仿真,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示,分布如圖3和圖4所示。對質(zhì)量、質(zhì)心直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可以得到對應(yīng)要求概率(例如工程常用的3σ極限)的質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)。

        圖3 全彈質(zhì)量和質(zhì)心分布柱狀圖(正態(tài)分布假設(shè))

        圖4 全彈質(zhì)量和質(zhì)心分布柱狀圖(均勻分布假設(shè))

        3.4 最優(yōu)化方法

        采用Matlab中求最小值尋優(yōu)函數(shù)fmincon計(jì)算質(zhì)心極限值。其中約束為圍繞中值的正負(fù)偏差范圍。

        3.5 計(jì)算結(jié)果匯總及比對分析

        采用不同方法計(jì)算的全彈質(zhì)量、質(zhì)心極限值綜合對比如表3所示。

        由表3可見:

        (1)最優(yōu)化方法、窮舉法求解質(zhì)心極限值效果最好,基于均勻分布的蒙特卡洛方法也能較為接近的求解得到質(zhì)心極限值。

        (2)采用式(9)均方合成理論近似方法求出的極限值,與采用蒙特卡洛方法取正態(tài)分布(3σ極限)求出的極限值是一致的,均為概率值,但與最優(yōu)化方法、窮舉法求解的質(zhì)心真實(shí)極限值不一致。在采用概率設(shè)計(jì)方法時可采用3σ極限值,在進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)時可采用最優(yōu)化方法、窮舉法求解的質(zhì)心真實(shí)極限值。

        表2 全彈質(zhì)心最小值蒙特卡洛仿真結(jié)果Tab.2 MonteCarloSimulationResultsoftheMinimumValueoftheMissileCentroid正態(tài)分布均勻分布仿真次數(shù)全彈質(zhì)心最小值/m對應(yīng)質(zhì)心最小值的全彈質(zhì)量/kg全彈質(zhì)心最小值/m對應(yīng)質(zhì)心最小值的全彈質(zhì)量/kg10^41.9834159.84471.9737156.579310^51.9779155.19791.9713156.435310^61.9763158.56631.9698156.3973

        (3)從計(jì)算結(jié)果也可見,真實(shí)極限值出現(xiàn)概率很低,設(shè)計(jì)較為保守,工程上取3σ極限就足夠精確。

        表3 全彈質(zhì)心極限值Tab.3 UltimateValueofMissileCentroid序號方法全彈質(zhì)心最小值/m對應(yīng)質(zhì)心最小值的質(zhì)心偏差/m對應(yīng)質(zhì)心最小值的全彈質(zhì)量/kg1理論近似-線性組合1.96700.0437—2理論近似-均方合成1.98880.0219—3理論近似-直接均方合成—0.0265—4窮舉法1.96650.0442156.65蒙特卡洛方法-正態(tài)分布1.97630.0328158.56636蒙特卡洛方法-正態(tài)分布(3σ對應(yīng)值)1.98870.0220—7蒙特卡洛方法-均勻分布1.96980.0409156.39738最優(yōu)化方法1.96650.0442156.6

        3 結(jié)束語

        本文針對飛行器的質(zhì)量質(zhì)心偏差分析問題,首先經(jīng)推導(dǎo)給出了質(zhì)心偏差的理論計(jì)算公式,通過對理論公式的分析指出了其不足,隨后分析了質(zhì)心偏差分析的蒙特卡洛方法、窮舉法和最優(yōu)化方法,最后針對一種典型飛行器,對各種方法進(jìn)行了實(shí)例分析。

        通過對計(jì)算結(jié)果的討論,說明蒙特卡洛方法對偏差的分布較為有效,而最優(yōu)化方法和窮舉法對偏差極限分析效果最好。

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