悬停状态下旋翼桨叶气动弹性稳定性分析及试验

研究直升机旋翼桨叶在悬停状态下挥舞-摆振-扭转全耦合运动的气弹稳定性。应用哈密顿原理推导桨叶运动的非线性偏微分方程, 推导气动载荷时采用了准定常气动理论, 并应用Galerkin有限元素法离散空间变量, 利用特征值分析来研究系统的稳定性。以海豚直升机为工程实例, 分析计算了其桨叶的气弹稳定性, 还进行了旋翼模型气弹稳定性试验研究, 确定旋翼结构参数对气弹稳定性的影响, 并同计算结果进行了比较, 得到了一些有意义的结论。      

直升机旋翼/机身耦合系统气动/机械稳定性分析

考虑了铰接式旋翼桨叶绕挥舞、摆振和变距铰的整体刚性运动与桨叶中等弹性变形之间的动力学耦合作用,将直升机机身和传动轴作为弹性体。通过构造一种特殊的24自由度刚柔混合单元得到旋翼/机身耦合系统的周期时变动力学方程,根据Floquet理论对稳态周期解的稳定性进行研究。计算结果表明,旋翼轴的截面刚度对旋翼/机身耦合系统的气动/机械稳定性有一定的影响。      

Numerical simulation of aerodynamic interaction for a tilt rotor aircraft in helicopter mode

A rotor CFD solver is developed for simulating the aerodynamic interaction phenomenon among rotor, wing and fuselage of a tilt rotor aircraft in its helicopter mode. The unsteady Navier–Stokes equations are discretized in inertial frame and embedded grid system is adopted for describing the relative motion among blades and nacelle/wing/fuselage. A combination of multi-layer embedded grid and ‘‘extended hole fringe" technique is complemented in original grid system to tackle grid assembly difficulties arising from the narrow space among different aerodynamic components, and to improve the interpolation precision by decreasing the cell volume discrepancy among different grid blocks. An overall donor cell searching and automatic hole cutting technique is used for grid assembly, and the solution processes are speeded up by introduction of Open MP parallel method. Based on this solver, flow fields and aerodynamics of a tilt rotor aircraft in hover are simulated with several rotor collective angles, and the corresponding states of an isolated rotor and rotor/wing/fuselage model are also computed to obtain reference solution.Aerodynamic interference influences among the rotor and wing/fuselage/nacelle are analyzed,and some meaningful conclusions are drawn.     

风扇/压气机转子、静子干涉噪声的预测方法

 本文采用管道声学模型计算了由转子尾迹与静子相互作用产生的干涉声音的大小。分析了转子、静子相对距离的变化对声音大小的影响,并与试验结果进行了对比。     

高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性分析

研究双拉力螺旋桨复合式高速直升机的气动特性可以为高速直升机的设计及气动优化提供参考。基 于动量源方法构建针对双拉力螺旋桨复合式高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性数值计算及分析方法;对 孤立旋翼、旋翼/机身干扰进行算例验证;应用所构建的方法对双拉力螺旋桨高速复合式直升机悬停及前飞状 态的干扰流场进行数值模拟,分析机身对悬停流场影响及不同前飞速度旋翼/螺旋桨/机身干扰特性。结果表 明:悬停时机身对气流的阻塞作用降低了旋翼的升力,螺旋桨对旋翼下洗气流的加速作用使旋翼升力提高;低 速前飞时旋翼/螺旋桨/机身干扰较大,主要体现在旋翼下洗流造成螺旋桨滑流偏折以及机翼上表面压力分布 增大,高速前飞时这种干扰较小。     

直升机的气动弹性问题

直升机的气动弹性问题与固定翼飞机不同,不仅要考虑单片桨叶,更要将旋翼视为一个整体,考虑其动态入流、尾迹影响以及旋翼与机身之间的相互耦合等。就单片桨叶而言,在结构动力学上,需要考虑离心力场、几何非线性以及桨叶的非线性挥舞-摆振-扭转耦合;在气动力上,需要考虑动态入流以及桨尖处可能的失速效应,本质上属于非线性气动弹性力学范畴。由于旋翼气动力通常是以周期形式通过旋翼轴传给机身,并引起机身振动,而机身运动又通过改变桨叶根部形态反过来影响旋翼的气动弹性特性,这种旋翼/机身耦合问题,也是近年来直升机气动弹性问题研究中的重要方向和热点之一。此外,随着旋翼流场数值分析方法的日趋成熟,采用动态重叠网格或滑移网格方法来实现桨叶运动,并通过动网格技术来实现桨叶的弹性变形,从而实现弹性旋翼流场的数值模拟,目前正呈现出勃勃生机,成为直升机气动弹性研究的又一重要方向和热点。随着各种新构型直升机的相继出现,如倾转旋翼机、前行桨叶概念旋翼(ABC)直升机和复合式直升机等,也带来了新的气动弹性问题。不断发现问题、解决问题,推动本学科持续发展,永远是气动弹性工作者终身奋斗的目标。     

旋翼动态升力实验及理论分析

建立了计入动力入流的旋翼动载荷分析模型,在旋翼模型试验台上进行了悬停状态总距激振的铰接式旋翼动态升力实验研究,理论计算与试验吻合很好。分析表明,激振频率越小,动力入流对悬停状态旋翼动升力影响越大;静态总距越小,动力入流的影响也越大。     

跷跷板旋翼舰面瞬态气弹响应分析及抑制方法

为了研究跷跷板旋翼在舰面起动和停转过程中的瞬态气弹响应问题,本文在中等变形梁的基础上,引入跷跷板旋翼整体挥舞有限转角广义坐标,采用非线性准定常气动模型,根据Hamilton原理建立了基于广义力的跷跷板旋翼动力学方程,舰面流场采用试验测试数据。通过与国外试验数据及计算值的对比验证了本文计算模型的正确性。计算表明,舰面跷跷板旋翼存在桨叶过大挥舞与机体相碰的问题。对于可能防止相碰的机械措施和操纵方式进行了分析。      

用机体振动诊断直升机旋翼复合不平衡故障研究

 在用机体振动诊断旋翼单一不平衡故障研究基础上,提出了仅借助机体振动信号诊断旋翼复合不平衡故障的新方法。证明了从旋翼复合不平衡故障空间到多点机体振动空间存在一对一映射关系。利用3个BP神经网络诊断故障类别和程度,利用机体振动一阶谐波分量的初相角确定失衡桨叶方位。模型旋翼实验结果表明,该方法可行、有效。     

直升机旋翼对机身气动干扰的计算

基于旋翼自由尾迹模型和三维机身源面元模型，建立了一个全耦合的旋翼／机身气动干扰迭代计算方法。为正确模拟旋翼桨尖涡与机身表面间的大定常贴近干扰，采用了一个“分析数值匹配法”的“贴近涡／面干扰模型”。应用该计算方法，分别计算了旋翼干扰状态下的机身表面点的非定常压强分布和机身的非定常气动升力，俯仰力矩随前进比的变化，以及干扰前后的机身定常压强分布。计算表明，机身上由于旋翼的干扰引起的非定常气动载荷呈现出与旋翼相同的周期性。然后，对比了本“贴近涡面干扰模型”和先前“截断涡线模型”对干扰计算的影响，表明了前对计算结果的重要改进。     

“鱼叉”系留对直升机动力响应的影响

建立了＂鱼叉＂系留的等效刚度模型,用Lagrange方法建立直升机旋翼/机体耦合非线性动力学模型,用数值方法分析了直升机在＂鱼叉＂系留状态下机体、桨叶的动力响应。从仿真结果可以看出：＂鱼叉＂系留增加了直升机的机体约束刚度,使不稳定区向高转速移动,远远超出了额定工作转速范围,有利于防止地面共振的发生。     

基于自适应滤波的电控旋翼桨距控制试验

提出了基于自适应滤波的电控旋翼桨距控制方法,并基于此开发了双闭环电控旋翼桨距控制系统,利用模型电控旋翼试验台进行了悬停状态下的桨距控制试验.试验结果表明:所研制的双闭环电控旋翼桨距控制系统能够有效、可靠地实现襟翼操纵和桨距控制.基于自适应滤波的桨距控制律可以很好地实现电控旋翼的总距、周期变距以及总距耦合周期变距操纵;桨距响应幅值满足要求,相位滞后约在10°～15°之间;从襟翼偏转到桨叶变距响应的滞后约20°～30°.不同桨叶/襟翼自身的结构及气动特性差异,会一定程度的影响桨距控制的实际效果.      

悬停状态下无铰旋翼模型气弹稳定性试验

通过悬停状态下2m直径旋翼模型试验, 研究了旋翼结构参数及动力学参数对无铰旋翼桨叶气弹稳定性的影响, 参数包括桨叶总距角、预锥角、预掠角、摆振频率和旋翼转速。桨叶为挥-摆-扭耦合结构, 并能构成面内柔软和面内刚硬旋翼。试验采用在垂直方向以摆振后退型频率进行周期变距激振的新方法, 得到了与理论相一致的结论。      

倾转旋翼机流动机理及气动干扰特性试验

采用试验方法测量了悬停和过渡状态倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰特性,部分揭示了干扰流动的机理。基于3D-PIV(particle image velocimetry)技术的流场测量结果,发现大总距状态相对于小总距时倾转旋翼下洗流收缩更为剧烈,并有更强烈的卷起涡;揭示了“喷泉效应”的产生机理,受旋翼诱导作用的影响,“喷泉”中心的位置会随着总距和间距的改变而发生显著变化。测量了不同构型及状态参数对倾转旋翼/机翼之间气动干扰影响,发现减小垂直或水平距离均可使倾转旋翼升力有所增大,但将会增加机翼受到的旋翼下洗载荷。进行了该构型过渡状态气动干扰特性试验,获得旋翼、机翼综合气动特性与机翼攻角之间的影响关系,在较大机翼攻角时,将会加强对旋翼下洗流的阻碍作用,对旋翼起到类似“地面效应”的增升效果,但该现象随着机翼的偏转不断削弱;机翼升力随机翼段攻角增加呈现出先增大后减小的趋势。      

直升机旋翼/机体耦合非线性系统的动稳定性分析

为了准确反映直升机旋翼／机体耦合系统的动稳定性，建立了旋翼／机体耦合非线性动力学微分方程，在时域内求解微分方程得到各片桨叶的挥舞、摆振及机体的响应用以对系统进行数值模拟；为了获得系统稳定性的定量值，用快速傅立叶变换(FFT)确定模态频率，用基于傅立叶级数的移动矩形窗方法得到模态阻尼。地面共振分析表明，时域分析与特征值分析结果具有良好的相关性，并与试验值吻合，从而验证了该方法的有效性。大总距时，用时域分析得到的模态阻尼与试验值吻合得更好，该方法可用于具有非线性减摆器的直升机旋翼／机体耦合系统的动稳定性分析。     

动力入流对直升机旋翼前飞操纵导数的影响

动力入流模型把直升机旋翼扰动运动产生的气动力变化和诱导速度的扰动直接联系起来，是一种简便实用的旋翼非定常气动力模型，本文把动力入流模型引入到直升机旋翼前飞操纵导数（升力，滚转力矩和俯仰力矩随总距及周期变距的变化）的分析计算中，通过分析，弄清了不同前进比，不同总距条件下动力入流对操纵导数的影响规律，并对动力入流的影响作了物理解释。     

共轴刚性双旋翼/机身干扰流场数值模拟

采用滑移网格技术求解Navier-Stokes (RANS)方程的方法,研究了共轴刚性双旋翼/机身的干扰问题。通过Caradonna-Tung旋翼、Robin直升机、Maryland直升机旋翼/机身干扰和Harrington 2共轴双旋翼等算例,验证了所提出的旋翼流场数值模拟方法的正确性。在此基础上,以Maryland机身为原型,分析了不同桨距的共轴刚性双旋翼与机身之间的干扰特性。结果表明:所提出的数值模拟方法能够很好地模拟共轴刚性双旋翼/机身的气动干扰特性;由于机身对于共轴刚性双旋翼下洗流场的阻滞作用,旋翼的悬停效率增加5%左右,并且随着拉力系数的增大使得悬停效率的增量更加明显;旋翼的悬停效率增加主要来源于下旋翼0°方位角附近的桨叶升力系数的增大,并且拉力系数的增量由桨根向桨尖方向逐渐减小。      

Dynamic response analysis under atmospheric disturbances for helicopters based on elastic blades

A flight dynamics model based on elastic blades for helicopters is developed. Modal shape analysis is used to describe the rotating elastic blades for the purpose of reducing the elastic degrees of freedom for blades. The analytical result is employed to predict the rotor forces and moments. The equilibrium equation of the flight dynamics model is then constructed for the elastic motion for blades and the rigid motion for other parts. The nonlinear equation is further simplified, and the gradient descent algorithm is adopted to implement the trim simulation. The trim analysis shows that the effect of blade elasticity on the accuracy of rotor forces and moments is apparent at high speed, and the proposed method presents good accuracy for trim performance. The time-domain response is realized by a combination of the Newmark method and the adaptive Runge-Kutta method. The helicopter control responses of collective pitch show that the response accuracy of the model at a yaw-and-pitch attitude is improved. Finally, the influence of blade elasticity on the helicopter dynamic response in low-altitude wind shear is investigated. An increase in blade elastic-ity reduces the oscillation amplitude of the yaw angle and the vertical speed by more than 70%. Compared with a rigid blade, an elastic blade reduces the vibration frequency of the angular veloc-ity and results in a fast return of the helicopter to its stable flight.     

纵列式双旋翼直升机气动力和流场的数值模拟

纵列式双旋翼直升机的旋翼尾迹受前飞自由流、机身和旋翼之间的干扰影响,旋翼尾迹不仅影响机身的空气动力,也影响旋翼自身的空气动力特性.应用欧拉方程与计算流体力学(CFD)方法,采用自适应非结构直角网格技术生成计算域网格,数值模拟纵列式双旋翼直升机全机流场,给出了考虑旋翼影响的机身表面压力分布以及全机流场特性.     

舰载直升机旋翼/机体非线性耦合稳定性分析

基于多体动力学方法建立了舰载直升机旋翼/机体耦合系统的动力学模型,其中机体起落架模型由非线性的液压作动器和橡胶轮胎两部分组成,而舰船的横摇和纵摇以简谐激励的形式通过起落架传递给旋翼/机体系统.针对不同的舰船激振频率,研究舰载直升机起动过程中旋翼/机体系统的时间响应历程和动力学稳定性.结果表明:舰载直升机的机体和桨叶摆振自由度在舰船激励下均会出现极限环振动现象,并且当舰船激振频率与旋翼旋转频率相等时会激发出旋翼的摆振后退型模态的极限环振动,使旋翼重心偏离桨毂中心,进而可能导致“舰面共振”事故发生.