重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模及空中共振稳定性分析

针对重型直升机（HLH）大重量、低转速的固有特性,提出了一种适用于重型直升机的飞行动力学刚弹耦合建模方法。该方法结合传统直升机飞行动力学与旋翼机体耦合动力学,将传统飞行力学的分析频段拓展到了5 Hz,额外考虑了桨叶和机体的弹性变形,基于阻抗匹配法推导出了显式的旋翼/机体耦合动力学方程,模拟了真实飞行状态下的直升机气弹耦合特性,利用该模型计算并分析了算例重型直升机的悬停飞行特性和空中共振稳定性。结果表明：旋翼机体耦合导致摆振前进型和机体弹性模态的阻尼-转速曲线先相互靠近至同一点再分离,可能引起直升机的高频瞬态振动;在摆振等效阻尼不足时,旋翼摆振后退型是不稳定的,但随着等效阻尼增加,摆振二阶周期型模态和机体弹性模态会出现耦合;桨叶弹性变形与机体弯曲模态及挥舞集合型耦合,但不会引起明显的不稳定现象。     

垂直气流对直升机空中共振的影响研究

采用入流模型描述了非均匀定常垂直气流在旋翼上的分布．用改进的非线性VKS模型计算粘弹减摆器的复模量；分析了直升机从悬停到小速度前飞时，定常垂直气流的非均匀分布对直升机平衡操纵以及对系统摆振后退型模态阻尼的影响。分析结果表明：非均匀垂直气流对平衡时的周期变距操纵有较大影响；对减摆器具有非线性特性的直升机来说．非均匀垂直气流对其摆振后退型模态阻尼有显著影响，而减摆器具有线性特性时．则影响很小。     

黏弹减摆器非线性特性对直升机前飞空中共振的影响分析

提出了一种基于复模量的黏弹减摆器非线性VKS改进模型,得到了减摆器单频及双频条件下复模量随动幅值变化的非线性特性;采用Floquet传递矩阵法计算了某直升机摆振后退型模态阻尼随前进比的变化。结果表明:直升机前飞时减摆器处于双频工作状态,与悬停时相比,空载及满载时耗能模量分别下降了50%及60%左右;从悬停转入前飞,空载时摆振后退型模态阻尼下降30%、满载时下降37%左右。     

失衡旋翼的直升机自激振动分析模型

直升机使用中很可能出现旋翼各片桨叶特性不一致的情况,为了研究失衡旋翼对直升机自激振动的影响,建立了适用于地面、悬停及前飞状态的旋翼/机体耦合动稳定性分析模型。采用当量铰旋翼模型,计入动力入流的影响,分别在旋转坐标系和固定坐标系中建立了桨叶及机体的动力学方程。以减摆器失效对直升机地面共振的影响为例,对桨叶及机体的时域响应进行了非线性数值仿真,用Floquet传递矩阵法计算了摆振后退型模态频率及阻尼,并用时域分析进行了检验。结果表明,其中一个减摆器失效后,各片桨叶摆振运动特性相差很大,系统的摆振后退型模态阻尼下降幅度高达60%以上。     

非线性叶间黏弹减摆器对直升机空中共振的影响分析

 建立带非线性叶间黏弹减摆器的直升机旋翼/机体耦合动稳定性分析模型。与全机飞行力学平衡计算相结合，旋翼/机体耦合动稳定性分析模型考虑前飞状态桨叶变距操纵、机体姿态角和桨毂纵向安装角。针对具有非线性特性的叶间黏弹减摆器，采用基于复模量的非线性VKS改进模型、Simulink时域仿真和多桨叶坐标变换等效阻尼识别法分析直升机悬停、前飞状态下旋翼/机体耦合动稳定性及减摆器双频动幅值，并就减摆器布局、全机总重以及前飞速度对桨叶摆振后退型模态阻尼的影响进行分析。结果表明：由悬停到前飞直升机动稳定性一般均下降，一定速度后又上升；加上减摆器能消除前飞不稳定区；叶间黏弹减摆器抬头连接能提高模态阻尼。     

带机体状态反馈的直升机地面共振分析

建立了带机体状态反馈的直升机旋翼/机体耦合动稳定性分析模型,研究了机体反馈系数对直升机地面共振的影响。根据Floquet理论采用传递矩阵法计算了系统的模态频率及模态阻尼,并用非线性模型的数值仿真进行了验证。结果表明,机体滚转角位移和角速度反馈能有效地提高摆振后退型模态阻尼;但当机体滚转姿态角反馈系数过大时,以挥舞后退型模态为主的旋翼挥舞与机体运动之间相互作用,导致直升机出现动不稳定性。     

共轴式直升机地面共振机理分析

为理解共轴式直升机上下旋翼与机体之间的耦合作用,提出了一种分析共轴式直升机地面共振物理机理的时-频分析方法。考虑上下旋翼周期型摆振与机体俯仰和滚转自由度(DOF),建立了具有结构阻尼的共轴铰接式旋翼直升机地面共振分析模型。通过特征值计算和扰动运动方程的数值积分,获得了共轴式直升机地面共振的模态特性及时域响应特性,根据各自由度的响应特性揭示了旋翼与机体之间的相互作用。分析表明,具有上旋翼特征的摆振后退型模态是最不稳定模态。在动不稳定区内,上旋翼周期摆振与机体滚转自由度之间相互输入能量,是造成共轴式直升机地面共振的主要原因;对于该不稳定模态,下旋翼的周期摆振与机体滚转自由度之间也构成相互输入能量的相位关系,增加了直升机地面共振的动不稳定性。     

某型机空中共振数据分析和参数识别

对于新研直升机,必须考虑旋翼与机身耦合不稳定性问题———地面共振和空中共振。以某型直升机作为研究对象,根据其飞行状态下实测载荷和振动数据对该型直升机空中共振情况进行了分析,并采用移动矩形窗方法识别了旋翼摆振模态的阻尼和频率,初步摸索了一套直升机空中共振实测数据分析和参数识别方法。     

扭转型粘弹减摆器建模与试验验证

根据粘弹减摆器单频、对称激振实验获得的复模量数据,对粘弹减摆器的非线性VKS模型进行了参数识别。在这个模型的基础上,本文提出了一种考虑静态位移的粘弹减摆器非线性模型,并进行了试验验证,试验数据表明该模型具有较高的精度,可以正确反映粘弹减摆器复模量在不同静位移下的非线性特性,为进一步研究粘弹减摆器的性能和直升机旋翼/机体耦合动稳定性奠定了基础。     

基于机体当量化的滑橇式直升机地面共振分析

针对滑橇式直升机不便于建立空间模型进行地面共振分析的问题,提出了基于有限元将机体参数当量至桨毂中心,当量结果可通过扫频激振试验验证,再采用平面模型进行地面共振分析的方法。采用所计算的当量参数对某型滑橇式直升机地面共振进行仿真分析,结果表明:该型机机体一阶模态与旋翼摆振后退型模态的共振转速在旋翼启动加速过程中可能达到,但系统具有足够的阻尼确保不发生地面共振;机体二阶以上模态与旋翼摆振后退型模态的共振转速远大于额定转速,不会引发地面共振。     

垂直着陆中直升机旋翼动力学行为研究

提出了直升机垂直着陆撞击激起旋翼扰动的动力学模型,为预估粗暴着陆时起落架载荷和旋翼液压阻尼器轴向速度幅值给出了一种数值模拟方法。以弹性轴承旋翼直升机为例,对垂直着陆时直升机机体、起落架、旋翼桨叶及阻尼器的动力响应进行了数值模拟,分析了着陆撞击引起机体和旋翼扰动的力学机理,可知在起落架触地后的第1个振荡周期中,各片桨叶将经历其不同的摆振幅值,并激起旋翼摆振后退型响应。着陆撞击引起桨叶的大扰动,将冲开阻尼器的定压安全活门,严重降低其等效阻尼。随机着陆时,起落架触地速度及过载系数、旋翼挥舞及摆振幅度和阻尼器速度峰值等动态参数由于着陆时机体的姿态角及角速度不同呈现很大的分散性,其分散性与着陆高度有关。     

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。     

不同粘弹减摆器连接形式下的旋翼系统气动弹性稳定性分析

建立了粘弹减摆器不同连接形式时的旋翼系统气动弹性稳定性分析模型。旋翼动力学模型考虑了非定常空气动力和桨叶挥舞/摆振运动的耦合。采用基于复模量的非线性VKS改进模型,建立叶间粘弹减摆器和普通连接粘弹减摆器的力矩方程。分别采用特征分析法及时域分析法计算了普通连接形式和叶间连接形式的直升机旋翼系统的动稳定性。通过对工程实例的分析计算,得出了一些有意义的结论。     

复数坐标及互激励分析在直升机“地面共振”分析中的应用

本文采用复数坐标来表示旋翼及机体的运动,提出了多自由度耦合系统动稳定性问题的各自由度间相互激励作用的分析方法。以此分析了直升机旋翼与机体耦合的“地面共振”稳定性问题,对动不稳定性的机理作出了清晰的物理解释,揭示了主要的参数影响。     

直升机尾桨/尾梁耦合动稳定性分析

根据激振实验数据,应用加速度响应频响函数方程组求解尾桨毂中心处的各阶模态频率,采用加速度导纳圆方法求得尾梁在尾桨毂中心处各阶模态的质量、阻尼和刚度。利用特征值方法分析了尾桨/尾梁耦合共振动稳定性。结果表明,尾梁纵向和垂向一阶模态是可能与尾桨摆振后退型模态产生耦合共振的危险模态,提高尾桨减摆器储能模量和尾梁一阶固有频率有利于提高系统稳定性。