直升機(jī)復(fù)合材料槳葉動(dòng)力學(xué)減振優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、直升機(jī)突出的振動(dòng)問(wèn)題使其無(wú)法像噴氣式客機(jī)一樣安靜舒適的飛行，如何降低直升機(jī)的振動(dòng)一直是直升機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，減振設(shè)計(jì)是國(guó)內(nèi)外直升機(jī)技術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，旋翼是直升機(jī)的核心部件，也是直升機(jī)的主要振源，本文開展旋翼動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究，探索從源頭上降低旋翼振動(dòng)載荷的設(shè)計(jì)方法，具有重要的科學(xué)理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　旋翼的槳葉細(xì)長(zhǎng)而柔軟，在復(fù)雜的氣動(dòng)環(huán)境下，產(chǎn)生揮舞—擺振—扭轉(zhuǎn)以及拉伸等自由度之間氣動(dòng)/彈性的強(qiáng)耦合，并且結(jié)構(gòu)與載荷都

2、具有非線性特征，這要求結(jié)構(gòu)模型能夠準(zhǔn)確的反映幾何非線性變形和自由度間的耦合特性。飛行實(shí)測(cè)表明，直升機(jī)在低速和高速前飛時(shí)振動(dòng)突出，這兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的氣動(dòng)特征，低速狀態(tài)下，旋翼的氣動(dòng)模型需要能夠突出槳渦干擾的入流模型；高速飛行時(shí)，氣動(dòng)模型需要引入非定常亞音速的氣流壓縮效應(yīng)，而整個(gè)飛行包線內(nèi)，始終需要考慮槳葉的非定常氣動(dòng)載荷和部分位置上的動(dòng)態(tài)失速，這些因素都是氣動(dòng)載荷高頻諧波的來(lái)源。
　　為了研究旋翼槳葉減振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立高效而

3、可靠的旋翼動(dòng)力學(xué)綜合分析模型是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為了平衡氣動(dòng)/彈性分析模型的計(jì)算精度和計(jì)算效率，本文建立了基于中等變形梁的顯式非線性有限元結(jié)構(gòu)模型，模型充分考慮了槳葉各自由度之間的結(jié)構(gòu)耦合，并具有至少二階幾何非線性精度，算例表明考慮了非線性影響后結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算精度有明顯提升；本文改進(jìn)了非定常動(dòng)態(tài)失速模型，提高了原模型在來(lái)流小于0.3馬赫數(shù)時(shí)的氣動(dòng)載荷相位和峰值的預(yù)測(cè)精度；旋翼入流計(jì)算采用Johnson自由尾跡模型，獲得了低速飛行時(shí)旋翼槳

4、渦干擾特性?；谝陨戏椒ń⒘司C合氣動(dòng)/彈性分析模型，算例結(jié)果與飛行實(shí)測(cè)對(duì)比表明，氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)載荷的計(jì)算精度不低于國(guó)外同類軟件。為了優(yōu)化計(jì)算效率，本文提出預(yù)定載荷方法，從配平后的氣動(dòng)/彈性模型中導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)預(yù)定氣動(dòng)載荷，作為非線性動(dòng)力學(xué)模型的外載荷，避免了氣動(dòng)/彈性緊耦合求解過(guò)程的耗時(shí)問(wèn)題。算例表明，基于預(yù)定載荷的動(dòng)力學(xué)分析模型計(jì)算精度仍然在可接受范圍內(nèi)，有效地捕捉了載荷諧波相位和幅值特征。
　　非定常氣動(dòng)力和彈性結(jié)構(gòu)的綜合建模增加了

5、旋翼動(dòng)力學(xué)方程的求解難度，本文基于小波方法，提出了二階微分方程的小波時(shí)間有限元求解算法，推導(dǎo)了Daubechies小波時(shí)間單元，利用小波多尺度和多分辨率的特性，提高了旋翼氣動(dòng)/彈性動(dòng)力學(xué)方程的求解精度和求解效率，并通過(guò)SA349/2算例和飛行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了槳葉剖面載荷計(jì)算對(duì)比分析，結(jié)果表明本文建立的旋翼動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)載荷計(jì)算精度與飛行載荷測(cè)試數(shù)據(jù)吻合較好，計(jì)算效率較高，為旋翼氣動(dòng)/彈性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)求解提供了新的方法。
　　針對(duì)旋翼槳葉

6、的優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，建立了基于C型梁的典型復(fù)合材料槳葉高仿真度參數(shù)化模型，該模型能夠反映槳葉工程設(shè)計(jì)，論文提出了高效的背景網(wǎng)格離散算法，并采用有限元方法獲取了槳葉剖面特性分布，形成了槳葉氣動(dòng)/彈性動(dòng)力學(xué)綜合模型的輸入?yún)?shù)。論文利用該參數(shù)化模型對(duì)“海豚”直升機(jī)復(fù)合材料槳葉進(jìn)行建模，準(zhǔn)確的表達(dá)了“海豚”直升機(jī)槳葉的結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)剖面特性計(jì)算，獲得了與實(shí)驗(yàn)值一致的槳葉特性參數(shù)分布，從而驗(yàn)證了參數(shù)化設(shè)計(jì)模型的可靠性。
　　最終依據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)模型

7、和旋翼動(dòng)力學(xué)減振優(yōu)化背景，給出了槳葉具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,依據(jù)槳葉模態(tài)和工程約束定義約束函數(shù)，并針對(duì)特定動(dòng)力學(xué)問(wèn)題提出不同的目標(biāo)函數(shù)。采用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的初始分布進(jìn)行預(yù)處理，使初始設(shè)計(jì)參數(shù)更合理的分布在設(shè)計(jì)空間內(nèi)，提高獲得全局最優(yōu)解的可能性，利用改進(jìn)的多種群遺傳算法，將基于預(yù)定載荷的旋翼動(dòng)力學(xué)分析模型作為優(yōu)化核心模型，氣動(dòng)/彈性耦合模型作為外層優(yōu)化模型進(jìn)行氣動(dòng)載荷的修正，該方法提高了旋翼動(dòng)力學(xué)減振優(yōu)化的計(jì)算效率和全局尋優(yōu)的能力