无铰变截面盒型梁桨叶气弹动力学多目标优化

基于有限元法建立了无铰旋翼变截面盒型梁桨叶的挥舞/摆振气弹稳定性优化分析模型,提出了多目标、多约束条件下的灵敏度分析方法,采用遗传优化算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm - NSGA-II）,实现了盒型梁桨叶气弹稳定性条件下多约束、多目标优化。最后完成了实例模型旋翼桨叶的优化与对比验证,结果表明,在气弹稳定性、自转惯量和振动固有频率等多约束条件下,实现自转惯量提高到原来的1.147倍,桨叶重量减少5.74%～8.6%,应力减少29.6%～30.1%的多目标优化,优化性能良好。     

复合材料参数化桨叶的动力学减振优化设计

为了进行桨叶动力学优化设计,建立面向工程设计的复合材料多闭室C型梁桨叶剖面参数化模型,实现了桨叶剖面气动外形、内部结构组件、复合材料铺层设计的参数化,并提出了一种保持C型梁纤维面积恒定的参数化设计方法.采用全局寻优能力较强的多种群遗传算法(MPGA),集成参数化设计模型与旋翼有限元气动弹性综合分析模型,通过桨叶各剖面结构组件的参数优化实现了旋翼动力学减振.算例给出了"海豚"直升机桨叶剖面特性实测值与参数化桨叶模型计算值的对比,整体误差不超过3%,并用该参数化模型对桨叶进行动力学减振优化,实现了旋翼加权优化振动载荷系数减小4.15%,经过优化后桨叶的配重位置更加分散,有利于缓解桨叶内部应力/应变突变;而且部分配重分配到桨尖,提高了旋翼的自转惯量,增加了旋翼自转下滑的安全性.     

考虑耦合变形的无轴承旋翼气弹稳定性分析

无轴承旋翼存在强烈的非线性扭转-弯曲耦合变形。推导了桨叶的非线性应变-位移关系,应用Hamilton原理建立了多路传力的无轴承旋翼桨叶运动的有限元方程,气动力模型采用二维准定常片条理论,考虑了耦合变形对桨叶轴向弹性位移的影响,并构造了一个新的15自由度梁单元,分析了悬停状态下的无轴承旋翼气弹稳定性。数值结果表明：考虑耦合变形对轴向弹性位移的影响可以提高悬停状态下的无轴承旋翼气弹稳定性分析的精度。     

带气弹稳定性约束的复合材料浆叶减振优化设计

研究以降低直升机旋翼激振力为目标的复合材料桨叶结构动力学减振优化设计 ,分析了桨叶结构特性及桨尖后掠角等参数对N次 /转旋翼桨毂振动载荷的影响。在建立的桨叶二维结构特性有限元分析方程中 ,计入了桨叶剖面翘曲变形的影响 ,并利用哈密尔顿原理推导了旋翼桨叶的一维非线性运动微分方程。以桨毂交变载荷为目标函数 ,直接以复合材料桨叶典型剖面构造节点数据、铺层设计参数和桨尖后掠角等为设计变量 ,引入桨叶挥舞惯量、固有频率和气弹稳定性约束 ,进行旋翼的动力学优化设计 ,并结合 3片桨叶旋翼的设计进行了算例分析 ,优化结果使 3次/转的桨毂载荷降低了 2 4 .9%～ 33%。     

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。      

基于多体动力学的旋翼模型与气弹稳定性

针对无轴承等先进旋翼结构特点,建立了基于柔性多体系统动力学方法的旋翼气弹分析模型.旋翼各构件建模相互独立,便于组成不同构型旋翼,适合于新构型旋翼气弹分析.分析模型集成了适合于旋翼气弹分析的隐式大变形桨叶模型,构件动力学方程增加了铰链动力学方程,统一约束方程形式,改进了角运动约束方程,避免连续旋转引起的奇点问题.应用分析模型计算无铰式旋翼和无轴承旋翼的气弹稳定性,分析结构参数对旋翼气弹稳定性的影响.分析结果表明模型能准确计算结构弹性变形的耦合及非线性,提高旋翼气弹稳定性分析精度.      

面向设计的复合材料旋翼桨叶动力优化设计

提出一种面向设计的复合材料旋翼桨叶结构动力优化方法。采用典型剖面设计、变量连接、铺层变量连续化等方法,有效地处理了剖面内部形状、复合材料铺层、配重质量３类设计变量。在动力分析模型中考虑了剖面翘曲、耦合变形和陀螺力的影响,由三级数值计算模式实现固有频率灵敏度分析。约束条件包括了固有频率、结构重量、自转惯量等设计要求,优化求解采用基于序列二次规划的算法。上述方法真实反映了桨叶结构特征和实际工程设计要求。     

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。      

基于参数化组件定义的复合材料旋翼桨叶结构优化设计

 为提高直升机复合材料旋翼桨叶结构设计效率,依据实际工程应用情况,提出了一种基于参数化组件定义的复合材料旋翼桨叶结构优化设计方法。以C型梁复合材料旋翼桨叶为研究对象,建立以精确的桨叶组件定义参数为设计变量的剖面优化和整体优化模型,通过桨叶的剖面优化确定出整体优化的初值,再由桨叶整体优化实现桨叶结构的最优设计。最后对某型主桨叶进行结构设计实例验证,结果表明该方法能够有效地实现直升机复合材料旋翼桨叶结构优化设计。     

考虑剪切和翘曲影响的直升机旋翼气弹稳定性分析

在中等变形梁理论的基础上,对桨叶变形体进行有限变形分析,推导出同时考虑剪切和翘曲影响的小应变、中等变形梁应变-位移关系,并构造出一个全新的21自由度梁单元,应用Hamilton原理导出桨叶运动的有限元方程。在此基础上,研究了剪切和翘曲等非经典因素对无铰旋翼桨叶的动特性和悬停时气弹稳定性的影响。数值结果表明:剪切和翘曲对旋转桨叶的固有频率,尤其是高阶频率,有一定的影响,特别是随着转速的提高这种影响会变大;同时对悬停时桨叶的气弹稳定性有相当程度的影响,尤其是在高桨距角下这种影响是不能忽略的。     

低振动旋翼桨叶的动力学优化设计

从工程应用的角度，在桨叶气动外形参数和桨毂型式确定的情况下，探讨在设计阶段如何通过设计参数的选择设计桨叶使桨根切力最小，从而降低直升机相应的振动水平。研究了３种情况的桨叶设计：（１）控制桨叶的固有频率；（２）控制桨叶挥舞一阶振型节点位置；（３）振动水平指数最小。在分析比较的基础上给出了既能降低桨根切力减小直升机相应振动水平又能改善桨叶疲劳状况的桨叶动力学优化设计方法。     

基于拓扑优化和形状优化的桨叶结构设计

直升机旋翼桨叶剖面结构设计是研究旋翼动力学设计的基础。提出一种联合拓扑优化和形状优化的 两级优化设计方法,可用于桨叶剖面结构的设计。第一级优化以变密度法(SIMP)作为拓扑优化的材料插值方 法,以桨叶体积最小化为设计目标,约束桨叶节点位移和应力,建立桨叶的拓扑优化求解模型;第二级优化以重 构的桨叶模型为基础开展形状优化,降低局部应力集中以及找到合理的边界节点位置。对优化后的模型进行 有限元分析,结果表明:通过拓扑优化和形状优化的两级优化,能够得到满足强度和稳定性要求的结构布局,为 桨叶结构设计提供指导方案。     

几何与动力约束结合的单晶涡轮叶片结构细节优化

以叶片榫头进气窗口为结构细节优化对象,基于DD6单晶高温合金再结晶临界应力,通过单晶涡轮叶片铸造残余应力场仿真计算,建立了最大铸造残余应力与结构参数和温度的关系模型.在几何约束和动力约束工况条件下,开展叶片榫头进气窗口结构细节优化研究,最后与实际叶片榫头进气窗口的进行分析与对比.结果表明:优化后叶片榫头进气窗口区域最大铸造残余应力降低20%以上,原有的再结晶现象消除.      

考虑鸟撞的航空发动机叶片动态拓扑优化设计

为了实现航空发动机冷端风扇叶片在考虑鸟撞情况下的轻量化设计,从结构拓扑优化计算的角度出发,对该问题展开深入的研究并提出具体的解决方案。针对叶片优化中存在的优化模型建立,结构动态工况优化,多条件约束并存处理,多工况联合优化等关键问题,进行了理论上的深入分析研究,阐述了结构多约束、多工况动态优化的理论基础,并结合相应的数值计算平台,提出了风扇叶片分步优化计算的方案,对航空发动机叶片进行拓扑优化计算。计算结果显示,最终的叶片轻量化结构满足所有鸟撞与离心载荷多工况的优化约束条件,拓扑结构中材料分布合理,在满足适航条例强度要求的同时质量减少达37.9%,具有一定的实际参考应用价值,同时所提出的动态优化计算方案,在工程结构的动态优化中具有广阔的应用前景。     

涡轮多学科优化中的气动设计技术探讨

通过对涡轮多学科优化的分析,讨论了多学科优化中的气动设计技术.提出了基于叶栅特征参数和贝塞尔函数的二维叶栅参数化造型方法,并结合积叠轴的掠、弯形成三维复杂几何叶片成型技术.通过对气动优化过程中的数学模型分析,给出了一般要求的约束条件,并根据不同阶段的气动设计和约束条件提出了分阶段嵌套优化方法.针对三维气动计算,对商用软件CFX进行了二次开发,实现了三维计算的自动分网、建模、求解和后处理.最后,结合具体算例完成的优化设计结果表明,其涡轮效率提高了约2.3%,工作叶片数减少13.21%,叶片叶身总质量下降8.96%.      

基于单循环方法的涡轮叶片可靠性及多学科设计优化

为了得到适用于涡轮叶片复杂结构并同时考虑可靠性的多学科设计优化方法,将基于单循环方法的可靠性分析（SLBRA）与并行子空间设计优化方法 （CSSO）相结合,提出了一种基于可靠性的多学科设计优化（RBMDO）方法。在优化过程中使用Kriging近似模型并不断提高模型精度。该方法在计算最可能失效点（MPP）的过程中避免了优化迭代,提高了计算效率。以涡轮叶片的设计优化为例,对该方法进行了验证并与传统双循环方法进行了对比。结果表明,优化结果满足可靠性的要求,与双循环方法相比优化效率明显提高,证明了该方法在工程应用中的可行性和有效性。     

基于EFFD参数化的风扇/压气机叶片-端壁一体化伴随优化设计

为解决传统扰动参数化方法的设计能力不足等问题，以拓展自由变形技术为基础开发相应参数化方法以改进伴随优化 系统，并对典型跨声速风扇/压气机转子Rotor 67进行叶片-端壁一体化伴随优化。结果表明：经过伴随优化，Rotor 67转子在流量、 压比等工况约束变化较小的前提下效率提升了0.74%，且整体特性同样得到了大幅改进，而优化前后的几何与流动变化表明，端 区几何调整及叶片吸力面变化引起的吸力面加速减弱、激波强度降低、角区分离涡结构改进等，均是性能提升的内在原因。