直升機(jī)旋翼氣動(dòng)彈性振動(dòng)載荷研究.pdf

1、旋翼系統(tǒng)是直升機(jī)結(jié)構(gòu)中最為重要的部件，也是直升機(jī)振動(dòng)與噪聲的主要來(lái)源。長(zhǎng)期以來(lái)旋翼系統(tǒng)的改進(jìn)和創(chuàng)新是直升機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向，成為直升機(jī)更新?lián)Q代的重要標(biāo)志之一。旋翼系統(tǒng)的振動(dòng)水平某種程序上決定了直升機(jī)動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)水平。因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低旋翼的結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷成為直升機(jī)動(dòng)力學(xué)研究中非?；钴S的分支。本文開(kāi)展了基于大變形槳葉模型的旋翼剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(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(dòng)彈性分析方法與結(jié)構(gòu)載荷計(jì)算方法，對(duì)模型各

2、部分進(jìn)行了充分驗(yàn)證，并將該模型應(yīng)用于真實(shí)直升機(jī)旋翼氣動(dòng)彈性響應(yīng)計(jì)算中，研究了不同氣動(dòng)模型與不同載荷計(jì)算方法對(duì)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(hù)成本過(guò)高等弊端，一些新構(gòu)型槳轂陸續(xù)得到重視與應(yīng)用。無(wú)鉸式與無(wú)軸承旋翼的揮舞、擺振與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)量之間的關(guān)系時(shí)采用了嚴(yán)格的幾何非線性表達(dá)式，依據(jù)Green應(yīng)變理論推導(dǎo)槳葉應(yīng)變能，同時(shí)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(yùn)動(dòng)，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?dòng)力學(xué)模型。模型中不作小轉(zhuǎn)角假設(shè)與階次截?cái)?，保留槳葉剛體運(yùn)動(dòng)與彈性運(yùn)動(dòng)的所有非線性項(xiàng)與剛?cè)狁詈享?xiàng)，采用數(shù)值逐級(jí)展開(kāi)的方式得到應(yīng)變能，并提取動(dòng)能變分中的質(zhì)量

4、矩陣與非線性廣義力。將旋翼氣動(dòng)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(dòng)力學(xué)方程。
　　旋翼動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算與振動(dòng)載荷預(yù)測(cè)不僅需要高精度的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，還需要非線性氣動(dòng)力模型以及與之相適應(yīng)的氣動(dòng)彈性分析模型。本文推導(dǎo)了剛?cè)狁詈夏Ｐ椭袣鈩?dòng)力虛功的全新形式，將氣動(dòng)廣義力視為系統(tǒng)非線性廣義力的一部分，從而便于氣動(dòng)模型依據(jù)自身模型要求選擇不同計(jì)算步長(zhǎng)與求解格式，也有利于動(dòng)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?jiǎng)澐?，采用二分法加密氣?dòng)積分點(diǎn)的策略，從而有效地提高了氣動(dòng)載荷沿展向積分的精度。旋翼剖面氣動(dòng)力的計(jì)算分別采用準(zhǔn)定常氣動(dòng)模型與非定常氣動(dòng)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(dòng)態(tài)失速狀態(tài)時(shí)的流場(chǎng)分布，分析了翼型氣動(dòng)升力、阻力與力矩隨流場(chǎng)的變化規(guī)律，探討了氣流分離對(duì)氣動(dòng)力的影響等。
　　在建立了旋翼剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(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(dòng)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(lái)幾種比較前沿的數(shù)值求解算法，包括精細(xì)積分法與顯式、隱式歐拉方法。通過(guò)對(duì)這幾種算法的求解精度與計(jì)算穩(wěn)定性的對(duì)比，指出了各自的特點(diǎn)與適用范圍。為解決傳統(tǒng)Newton迭代方法計(jì)算效率低的問(wèn)題，引入自適應(yīng)Newton迭代過(guò)程，即僅在收斂速度變慢時(shí)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(shí)為加快被積函數(shù)沿槳葉展向

7、積分時(shí)的收斂速度，開(kāi)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(dòng)力學(xué)方程數(shù)值求解的計(jì)算效率。
　　旋翼振動(dòng)載荷的計(jì)算依賴于旋翼動(dòng)力學(xué)方程本身的求解精度。不僅如此，載荷計(jì)算方法也對(duì)載荷預(yù)測(cè)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(jià)性，并依據(jù)二者的特點(diǎn)，提出了一種新的旋翼振動(dòng)載荷計(jì)算混合方法。將槳葉任意位置處（載荷計(jì)算點(diǎn)）的結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷表示為有限元節(jié)點(diǎn)反力與單元內(nèi)振動(dòng)載荷疊加的形式，即節(jié)點(diǎn)力由反力法得到，而作用于載