直升機旋翼氣動彈性振動載荷研究.pdf

1、旋翼系統(tǒng)是直升機結(jié)構(gòu)中最為重要的部件，也是直升機振動與噪聲的主要來源。長期以來旋翼系統(tǒng)的改進和創(chuàng)新是直升機技術(shù)發(fā)展的主要方向，成為直升機更新?lián)Q代的重要標(biāo)志之一。旋翼系統(tǒng)的振動水平某種程序上決定了直升機動力學(xué)的設(shè)計水平。因此準(zhǔn)確預(yù)測并通過優(yōu)化設(shè)計降低旋翼的結(jié)構(gòu)振動載荷成為直升機動力學(xué)研究中非常活躍的分支。本文開展了基于大變形槳葉模型的旋翼剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)建模方法研究，發(fā)展了適用于不同槳轂構(gòu)型的旋翼氣動彈性分析方法與結(jié)構(gòu)載荷計算方法，對模型各

2、部分進行了充分驗證，并將該模型應(yīng)用于真實直升機旋翼氣動彈性響應(yīng)計算中，研究了不同氣動模型與不同載荷計算方法對旋翼結(jié)構(gòu)載荷的影響等。
　　由于傳統(tǒng)鉸接式旋翼中鉸鏈與軸承的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與維護成本過高等弊端，一些新構(gòu)型槳轂陸續(xù)得到重視與應(yīng)用。無鉸式與無軸承旋翼的揮舞、擺振與扭轉(zhuǎn)運動可由槳葉柔性段的彈性變形代替。由于柔性件的彈性變形較大，傳統(tǒng)中等變形槳葉模型不再適用，因此本文首先建立了適合于先進構(gòu)型旋翼槳葉結(jié)構(gòu)分析的幾何精確梁模型。該模型在

3、描述槳葉變形運動量之間的關(guān)系時采用了嚴(yán)格的幾何非線性表達式，依據(jù)Green應(yīng)變理論推導(dǎo)槳葉應(yīng)變能，同時考慮了槳葉結(jié)構(gòu)預(yù)扭引起的剖面坐標(biāo)基矢量非正交效應(yīng)。為了提高模型的適應(yīng)性，在幾何精確梁模型基礎(chǔ)上，考慮鉸接式旋翼中鉸鏈與軸承的剛性運動，建立了一種新的適用于任意槳葉剛體轉(zhuǎn)角的旋翼剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型。模型中不作小轉(zhuǎn)角假設(shè)與階次截斷，保留槳葉剛體運動與彈性運動的所有非線性項與剛?cè)狁詈享?，采用?shù)值逐級展開的方式得到應(yīng)變能，并提取動能變分中的質(zhì)量

4、矩陣與非線性廣義力。將旋翼氣動力以廣義力形式與結(jié)構(gòu)方程耦合，最終依據(jù)Hamilton原理建立旋翼動力學(xué)方程。
　　旋翼動力學(xué)響應(yīng)計算與振動載荷預(yù)測不僅需要高精度的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，還需要非線性氣動力模型以及與之相適應(yīng)的氣動彈性分析模型。本文推導(dǎo)了剛?cè)狁詈夏Ｐ椭袣鈩恿μ摴Φ娜滦问?，將氣動廣義力視為系統(tǒng)非線性廣義力的一部分，從而便于氣動模型依據(jù)自身模型要求選擇不同計算步長與求解格式，也有利于動力學(xué)方程的數(shù)值求解。提出了一種基于結(jié)構(gòu)有限

5、單元劃分，采用二分法加密氣動積分點的策略，從而有效地提高了氣動載荷沿展向積分的精度。旋翼剖面氣動力的計算分別采用準(zhǔn)定常氣動模型與非定常氣動模型，槳盤入流分布則分別由線性入流模型與自由尾跡模型得到。此外，本文還采用CFD方法模擬了二維翼型附著流狀態(tài)與動態(tài)失速狀態(tài)時的流場分布，分析了翼型氣動升力、阻力與力矩隨流場的變化規(guī)律，探討了氣流分離對氣動力的影響等。
　　在建立了旋翼剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型后，由于槳葉離心力的剛化作用以及槳葉剖面之間

6、結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異較大，得到的動力學(xué)方程通常為一組非線性剛性微分方程。為求解這種方程組，本文比較研究了近些年來幾種比較前沿的數(shù)值求解算法，包括精細積分法與顯式、隱式歐拉方法。通過對這幾種算法的求解精度與計算穩(wěn)定性的對比，指出了各自的特點與適用范圍。為解決傳統(tǒng)Newton迭代方法計算效率低的問題，引入自適應(yīng)Newton迭代過程，即僅在收斂速度變慢時更新隱式求解格式中的Jacobian矩陣，兼顧了求解精度與求解效率。同時為加快被積函數(shù)沿槳葉展向

7、積分時的收斂速度，開發(fā)了一種基于外推方法的高斯積分算法，總體上改善了動力學(xué)方程數(shù)值求解的計算效率。
　　旋翼振動載荷的計算依賴于旋翼動力學(xué)方程本身的求解精度。不僅如此，載荷計算方法也對載荷預(yù)測精度有重要影響。本文從理論上證明了反力法與力積分法的等價性，并依據(jù)二者的特點，提出了一種新的旋翼振動載荷計算混合方法。將槳葉任意位置處（載荷計算點）的結(jié)構(gòu)振動載荷表示為有限元節(jié)點反力與單元內(nèi)振動載荷疊加的形式，即節(jié)點力由反力法得到，而作用于載