直升机桨叶刚柔耦合特性及计算方法分析

为了研究桨叶刚柔耦合特性,采用中等变形梁模型处理桨叶弹性变形,分别采用小转角和有限转角两种方法处理桨叶绕铰的刚性运动。以桨叶扬起下坠碰撞问题为研究对象。计算分析表明:(1)弹性桨叶存在较明显的刚性运动和弹性变形耦合;(2)挥舞角较小时,两种处理方法计算结果一致,均与试验数据吻合较好;(3)挥舞角较大时,刚柔耦合增强,两种处理方法的计算值差别较为明显;(4)桨叶弯曲刚度对桨叶刚柔耦合特性有较明显影响,刚度越小,耦合越强;(5)桨叶如果比较柔软,小转角处理方法计算值相对有限转角处理方法,相位滞后、幅值增加均较为明显,计算桨叶动响应时需引起注意。      

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。     

一种高空飞艇螺旋桨结构多目标优化设计方法

为了远离旋转激振力的影响避免桨叶共振,需要提高桨叶的弯曲频率,这不可避免的会增加质量。为了解决低质量与高频率之间的矛盾,提出了一种螺旋桨两目标优化方法。以桨叶最小质量和最大弯曲频率作为两个优化目标,以复合材料的铺层角度、铺层厚度和铺层区域作为设计变量,以最大应变、桨尖最大位移和桨叶50%、75%和85%剖面处的扭转角作为约束,使用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对螺旋桨进行优化设计,得到了关于质量和频率的Pareto解集。转速为520 r/min的两叶桨的转频为8.76 Hz,穿越频率为17.33 Hz,根据频率在Pareto解集上选取远离这两个点的方案。通过制造与测试,得到的实物桨叶频率为12.29 Hz,距离两个共振点都较远,有效的避免了桨叶共振。      

复合材料螺旋桨结构多目标优化设计

在螺旋桨桨叶结构设计的工程实践中,减轻重量和增加扭转刚度是两个主要目标,而复合材料的应用增加了螺旋桨结构的可设计性。以某复合材料螺旋桨为例,基于有限元方法,以桨叶的复合材料铺层数量与铺层角度为优化设计变量,以螺旋桨桨叶强度、弯曲刚度为约束条件,采用快速非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)对该复合材料螺旋桨进行多目标优化设计。得到了关于两个目标函数的帕累托解集,即综合考虑桨叶质量与扭转刚度两个指标的最优设计参数集。本文为复合材料螺旋桨的结构设计提供了一种有效的思路。     

桨叶表面压力分布和螺桨性能的升力面算法

本文提供了一种根据升力面理论计算螺旋桨桨叶表面压力分布和螺旋桨性能的数值方法。这种方法适用于具有任意桨叶数、任意形状的螺旋桨。对两算例的计算结果和实验结果作了比较 ,符合很好     

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。     

一种高效率的桨叶载荷标定方法

在桨叶的载荷测量和疲劳试验之前,都要对桨叶进行载荷标定。确定桨叶的挥舞面或摆振面是载荷标定的重要内容,本文介绍的就是一种快速确定桨叶挥舞面和摆振面的方法。     

直升机复合材料桨叶铺层三维几何建模方法

针对直升机复合材料桨叶铺层几何建模过程中存在的效率低、工作繁琐重复等问题,提出了一种桨叶铺层三维几何建模方法。首先系统归纳了典型的桨叶铺层类型,提出了一种面向复合材料铺层几何建模的铺层信息参数化表达方案,并通过一个智能向导引导设计人员对各铺层进行定义和描述,在此基础上由软件算法自动生成桨叶铺层设计表格;根据桨叶理论外形和桨叶铺层设计表格,通过铺层区域裁剪复制和分片逐次等距方法构造桨叶当前铺层几何模型,并实现整个桨叶铺层几何模型的自动生成。通过实例验证表明,该方法能够快速、高效地实现复合材料桨叶铺层的三维几何建模。     

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。     

一种适用于中小型无人机的新型螺旋桨设计

目前,中小型活塞动力无人机所配备的螺旋桨主要是两叶定距螺旋桨,其桨叶布局特征主要体现桨尖和桨根较窄,桨叶中部较宽,但在实际使用中发现,此类螺旋桨匹配无人机后飞行性能表现不佳。针对低速中小型活塞动力无人机,设计一种矩形薄型直桨叶二叶螺旋桨方案。将该螺旋桨方案与其他七种方案进行风洞试验,分别对各方案在零风速和巡航速度下的性能特性进行系统研究。结果表明:与其他方案相比,采用矩形桨叶设计的螺旋桨在静推力、功率、效率、拉力系数、功率系数等关键性指标上均表现出优异特性,尤其是在同样功率输入下,具有最低转速的特性,因此该方案螺旋桨具有优良的装机匹配特性。     

桨叶结构裂纹损伤检测和剩余寿命评估方法

研究了一种基于力残差向量的桨叶结构损伤检测和剩余寿命评估方法,从桨叶有限元模型出发构造了一种节点力残差向量,分析力残差向量可确定损伤位置和损伤程度。引入裂纹单元模型将损伤的大小量化为等效裂纹长度,桨叶结构损伤用等效裂纹大小表示。从腐蚀疲劳断裂理论出发,建立了损伤扩展模型,得到了桨叶结构剩余寿命估计曲线。最后,通过实例验证了方法的可行性和有效性。     

颗粒阻尼对直升机旋翼桨叶减振效果的试验

 为探索直升机减振技术的新方法,研究颗粒阻尼技术在直升机旋翼桨叶减振中的应用,设计了直升机旋翼桨叶模型及其相应的颗粒阻尼器形式,利用试验方法研究了颗粒阻尼对非旋转及旋转桨叶模型的阻尼减振效果。试验结果表明：颗粒阻尼可以有效提高非旋转桨叶模型的前3阶阻尼水平,尤其可使桨叶第3阶模态阻尼比提高一个数量级甚至更多;在较低的转速范围内,颗粒阻尼还可以克服离心力作用,使旋转桨叶模型的挥舞和摆振加速度响应水平均得到有效削减,充分表明了颗粒阻尼作为一种振动控制手段应用于直升机旋翼桨叶的可行性。     

基于CFD方法的倾转旋翼/螺旋桨气动优化分析

针对倾转旋翼存在直升机和固定翼两种工作模式特点,将CFD方法与优化方法相结合,建立了一套倾转旋翼/螺旋桨气动外形综合优化设计方法。首先,发展了一套适合桨叶气动外形优化的高效网格生成方法,将桨叶三维网格的生成转化为沿桨叶展向分布的独立二维网格生成问题,降低优化设计过程中桨叶网格生成难度和计算量。然后,基于动量/叶素组合理论,建立了适用于悬停和巡航状态旋翼操纵量计算的高效配平方法,并提出适合同时描述倾转旋翼悬停和巡航性能的综合性能评价指标。采用RANS方程作为主控方程,湍流模型采用S-A模型,时间推进上采用高效的隐式LU-SGS格式。最后,为提高倾转旋翼外形优化设计的效率,建立基于置换遗传算法优化的拉丁超立方方法(PermGA LHS)和径向基函数(RBF)的代理模型优化方法。在上述方法基础上,选取一种包含前后掠以及尖削等外形组合变化外形的倾转旋翼作为原始构型,分析倾转旋翼气动性能及流动细节特征,发现悬停和巡航状态桨叶升力分布不合理之处及其产生机理。进一步通过对三维桨叶尖部的综合气动外形(扭转/弦长/上下反)优化设计,优化方案能有效改善桨叶尖部的气流分离现象,且提升桨叶升力沿展向分布的均匀性,因而明显提高了倾转旋翼的综合气动效率(优化旋翼最大悬停效率和最大巡航效率分别提高了8.4%和6.84%,优化旋翼综合性能指标提高最大值达到5.7%);性能最优构型桨叶的特征有:桨叶扭转角变化内陡外缓;桨叶外侧弦长有显著增加、尖部大尖削;桨叶尖部内侧上反和外侧下反组合变化。     

直升机模型桨叶颤振试验研究

提出了直升机模型桨叶颤振试验技术及试验方法。通过激桨叶的扭转频率、测桨叶的挥舞响应,试验得到了桨叶颤振裕度与旋翼转速、桨叶弦向有效重心位置及桨叶扭转刚度之间的关系,即桨叶颤振裕度随旋翼转速的提高而降低;在相同转速下,桨叶扭转刚度越低或桨叶弦向有效重心位置越后。      

关于螺旋桨桨叶有利迎角的探讨

通过桨叶的性质角与迎角关系的数学模型,对桨叶有利迎角进行了分析研究。当桨叶迎角和桨叶性质角变化时,桨叶极线图和桨叶总空气动力向拉力轴靠近或离开,由此找出桨叶的最有利状态。通过分析得出,桨叶迎角接近桨叶临界迎角时最有利。最后通过桨叶极线图和桨叶总空气动力方向变化的模型实验验证了此结论的正确性。     

桨叶表面压力测量技术综述

本文针对桨叶表面压力测量相关技术及其成果,选取典型外文资料,对几种具有代表性的桨叶表面压力测量试验的设备、方法及结果进行了概述,对其中的桨叶表面压力传感器技术和压力/温度敏感漆测量技术的应用进行了详细介绍。     

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.     

基于N-S方程的悬停旋翼桨叶气动干扰数值模拟

采用基于N-S方程的CFD方法,通过计算前后平行放置的双翼和三翼的干扰流场,对悬停状态旋翼桨叶之间的气动干扰机理进行了数值探讨;在此基础上,进行了2种桨叶片数、2种桨距及2种桨尖马赫数情况的旋翼悬停流场对比计算,模拟它们对旋翼气动性能和桨叶间气动干扰作用的影响,得到一些与工程实际吻合的现象和结论。     

平流层飞艇三叶螺旋桨结构优化方法

为实现螺旋桨轻质量和高固有频率之间的权衡设计，发展了1种桨叶对称削层结构的分区优化方法。为拓宽其高效率的速度和高度范围，应采用变桨距技术，需要设计圆柱形桨叶根部。该桨叶与不同桨距角的桨毂组合装配，可实现人工变桨距，在地面试验中达到高空转速。该螺旋桨采用组合分体式桨毂布局、桨叶内部填充泡沫和碳纤维混合结构，基于NSGA-Ⅱ（non-dominated sorting genetic algorithm），完成了支座固支的桨叶铺层参数优化，得到桨叶质量和频率的Pareto解集，在±10%频率安全裕度外选取最优铺层方案，并与实物测试值对比，结果表明：桨叶质量相对误差2.09%；支座固支的单桨叶频率相对误差9.30%；桨毂固支的组合体频率相对误差2.76%，避开了工作转速共振区间，证明该结构优化方法是合理有效的。     

复合材料桨叶前缘包铁研制及使用现状

直升机在使用中会遭遇砂尘、雷击和结冰等恶劣自然环境,桨叶前缘包铁在桨叶抵御上述环境影响方面发挥了重要作用,是复合材料桨叶重要的组成部分。在对复合材料桨叶砂尘、雷击和结冰环境使用需求分析的基础上,对前缘包铁的设计从选材、弦向尺寸、展向尺寸、厚度和强度分析等方面进行了阐述;前缘包铁生产制造方面,对机械冲压制造和电铸两种生产方式进行了介绍;在前缘包铁维护方面,对视情清洗、定期目视检查、无损检测和故障修理进行了说明;最后结合海洋环境防腐、故障在线监测和超疏水技术等在前缘包铁上的应用提出了一些想法以供探讨。