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。     

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。     

“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。     

直升机滑跑地面共振特性研究

依据直升机定常滑跑平衡特性分析得到的起落架定常载荷、旋翼操纵量及定常挥舞,结合起落架轮胎和缓冲支柱的静、动特性试验数据,应用自由振动理论计算得到机体侧向和纵向模态特性随滑跑速度的变化规律;采用计入几何耦合的旋翼液压阻尼器动力学模型,计算了定常滑跑时旋翼周期摆振响应,并得到液压阻尼器在"双频"条件下的等效阻尼;应用平面动力学模型分析不同因素对直升机滑跑地面共振的影响。结果表明,滑跑速度会降低机体侧向模态的固有频率;某型直升机旋翼总距为2°时,在22.8~31 km/h范围内定常滑跑时,直升机遇到较大扰动时将发生地面共振,且旋翼总距增加会降低地面共振的滑跑临界速度;直升机定常滑跑时保持小总距,小扰动,则不会发生地面共振。     

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。     

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。     

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。     

直升机地面滑跑时地面共振分析及方法研究

在直升机试飞中,要考虑旋翼与机体耦合产生的动不稳定性问题—地面共振和空中共振。本文针对某型直升机发生的地面共振现象,根据飞行状态和振动数据对该型直升机发生地面共振的情况进行分析,并对引起的地面共振提出了解决方法,利用移动矩形窗方法识别发生地面共振时机体的模态频率和阻尼,为进一步研究直升机飞行中引起的直升机动不稳定性问题提供参考。     

前飞状态直升机旋翼/机体耦合动稳定性分析模型

建立了前飞状态的旋翼/机体耦合动稳定性分析模型。采用扩展的Pitt/Peters动力入流模型将悬停与前飞状态统一起来;提出了一种适用性很强的隐式多桨叶坐标转换方法,进而取消了量纲分析及桨叶定常挥舞、摆振的小角度假设,结合Floquet传递矩阵法对系统进行了动稳定性分析。应用此分析模型对无铰旋翼直升机地面共振、前飞时孤立旋翼动稳定性进行了计算验证,分析结果与试验值吻合。     

纵列式旋翼直升机“地面共振“研究

本文提出了一种分析纵列式旋翼直升机“地面共振”的理论建模方法,通过算例计算与分析对多旋翼与机体耦合产生动不稳定性机理进行了研究,考察了一些重要的动力学参数或因素对“地面共振”的影响,指出了“地面共振”建模分析和工程设计应考虑的因素和设计准则。     

某直升机“空中共振”分析

直升机“空中共振”问题,是一种危及直升机飞行安全的自激振动问题,是直升机设计中必须解决的问题。某直升机“空中共振”计算,是指该直升机在悬停状态的“空中共振”计算。在计算过程中,应用“八五”重点预研课题《星形柔性桨毂直升机“空中共振”计算方法研究》的研究成果,建立了“空中共振”计算模型,研制了一套实用的计算软件,分别采用临界稳定性分析法和特征根分析法进行“空中共振”计算,并进行了计算结果的对比,得出了明确的计算结论。     

直升机在风切变气流场中的响应特性

为了研究直升机在风切变气流场中的响应特性,基于相关文献,建立了风切变工程化模型。根据旋翼的非均匀入流模型,建立了直升机非线性动力学模型,并利用四阶龙格—库塔法,对某型直升机在风切变场中的飞行特性进行了数值仿真。研究结果表明:样机进入风切变场后,飞行姿态立即出现俯仰震荡、左右摇摆的现象,10 s内,侧倾角的峰值差最大达到了73.14°,直升机下坠的高度为53.19 m,偏航距离为93.79 m。     

直升机阻尼非线性地面共振的极限环分析

 采用一阶近似方法分析研究了直升机阻尼非线性地面共振系统的极限环特性,导出了有关公式,研制了计算程序；并以某型直升机为例,考察了机体系统状态、机体系统振动特性参数对地面共振系统极限环特性的影响,分析了非线性桨叶阻尼在抑制直升机地面共振中的作用,展示了极限环状态下旋翼转速对旋翼系统与机体系统之间能量传递的影响关系。     

基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统动力学建模

完成了基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模.通过运动学描述,将系统分为直升机本体、吊挂绳索和吊挂载荷三部分.直升机本体为六自由度刚体;吊挂绳索模拟为集中质点模型,质点间用弹簧连接;吊挂载荷模拟为三自由度质点.考虑重力、气动力和弹性力的影响,建立直升机-吊挂系统的Kane动力学方程.针对直升机本体和考虑吊挂绳索柔性的直升机-柔性绳索-吊挂系统这两种模型,计算了它们在不同前飞速度下的配平状态,分析了其运动模态并进行对比.仿真结果表明:外吊挂引入后,直升机需要额外的总距操纵;考虑吊挂绳索柔性后,直升机长周期运动的收敛/发散速度变慢;Kane方法适用于直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模,方程整齐简洁,编程求解方便.      

刚度对直升机尾传动系统弯曲振动固有频率影响的分析

对直升机尾传动系统进行了简化,提出了直升机的尾传动系统是由多个轴段和圆盘组成的串联系统;建立了直升机尾传动系统的弯曲振动力学模型,模型中考虑了轴承支承刚度、联轴器的角向刚度及径向刚度;根据系统的弯曲振动力学方程,用传递矩阵法求得了系统的固有频率.结果表明:联轴器的角向刚度与径向刚度对系统的固有频率有不同的影响;增加轴段数或轴承的刚度可以降低系统的固有频率.      

粘弹减摆器几何耦合模型及对直升机悬停空中共振的影响.

针对具有几何耦合的非线性粘弹减摆器，在旋转坐标系下建立了其在平衡位置附近的小扰动微分方程，然后通过多桨叶坐标转换的方法将方程变换到不转坐标系中，并与直升机悬停时的线化小扰动方程结合起来进行特征值分析；减摆器静态位移和几何耦合对直升机空中共振稳定性的影响进行了分析。结果表明，粘弹减摆器会提高直升机空中共振稳定性；增大减摆器的静态位移会降低其有效阻尼；对于所考虑的旋翼系统来说，几何耦合可能会减小减摆器的静态位移，从而提高摆振后通型模态的阻尼。     

Simulation of a complex system for low helicopter airspeed measurement

The special features of construction, a model and the results of simulating an aeromechanical system for calculation of true helicopter airspeed vector components are considered; the system is based on the solution of equations for an “immobile” helicopter with the use of the Luenberger observer. It is proposed that the aeromechanical system be integrated with the system for measuring low helicopter airspeed on the basis of a stationary multichannel aerometric transducer.     

基于UKF的共轴式无人直升机模型辨识

建立了共轴式无人直升机系统非线性模型,并针对其非线性强,不同飞行模态下气动参数差异等问题,将无迹卡尔曼滤波(UKF)引入共轴式直升机系统非线性模型辨识,不但避免了直升机线性模型仅仅适用于悬停模态的局限性,同时为直升机系统在线自适应控制提供了基础条件,使得共轴式无人直升机自主全包线飞行成为可能.以北京航空航天大学FH-1共轴式无人直升机为例进行了仿真辨识实验.实验结果表明基于该方法的共轴式直升机在线非线性模型辨识不依赖于参数初值的选取,模型参数能在10s内收敛,各状态量辨识精度达到80%以上,明显高于传统的预报误差法(PEM),具有一定的实用性.      

基于AMESim的直升机液压助力器建模与仿真

介绍了直升机飞行操纵系统典型液压助力器的组成和工作原理,对助力器静动态性能分析方法进行了研究。综合考虑不可忽视液压刚度、结构刚度、摩擦、泄漏等非线性因素对系统的影响,建立了基于AMESim的助力器模型。利用该模型对直升机飞行操纵系统样例液压助力器进行仿真分析,将仿真结果和试验结果进行验证对比,结果表明仿真数据和试验数据基本吻合,较好地反映了实际系统的性能。因此仿真结果可以为直升机飞行操纵系统液压助力器打样设计和结构优化提供理论分析依据。