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.     

直升机旋翼桨叶气弹优化减振设计方法

从振源着手通过设计参数的最优选择设计直升机旋翼桨叶,使传递到机身的交变载荷最小达到降低振动水平的目的是旋翼桨叶设计思想的进步。本文在简单概述该方法的基础上,以某4桨摆振柔软的无铰复合材料桨叶为研究对象,将其大梁模拟为一单闭室复合材料盒形梁,研究了通过铺层角的优化选择,降低4次/转的桨毂交变力与力矩的情况。数值算例表明方法效果良好。      

多片后缘小翼对直升机旋翼桨叶动态失速及桨毂振动载荷的控制

 减缓直升机后行桨叶动态失速发生、降低直升机桨毂振动载荷是提高直升机飞行速度、改进直升机飞行性能的重要途径。本文研究了直升机在高速高载情况下利用多片受控的桨叶后缘小翼对直升机的后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷同时进行控制的有效方法。建立了弹性桨叶和后缘刚性小翼的结构动力学模型。桨叶剖面气动载荷采用Leishman-Beddoes 二维非定常动态失速模型计算,后缘小翼剖面气动载荷采用Hariharan-Leishman二维亚声速非定常气动模型计算。采用伽辽金和数值积分相结合的方法求解旋翼系统的气弹响应。建立了有效的多片后缘小翼控制策略和控制方法,分析了3片后缘小翼的运动规律及对后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷的控制效果,结果表明利用多片小翼的运动是控制桨叶动态失速和桨毂振动载荷的有效方法。     

旋翼改进研制中的动力学匹配分析

本文概要地介绍了直8旋翼改进研制的特点和动力学匹配分析的工作思路。对立足国内技术进行研制的过程中,从桨毂构型选择、阻尼器布置方式选择、复合材料桨叶结构特性相似性设计、旋翼动力学优化设计和地慢转速设置等方面综合考虑旋翼与全机动力学匹配问题,并略述了对这些问题的分析、处理情况及结果。     

基于CFD/CSD耦合方法的新型桨尖旋翼气动弹性载荷计算

为提高旋翼非定常气动弹性载荷的分析精度,在刚性旋翼计算流体力学(CFD)方法中引入计算结构动力学(CSD)方法,建立了一套适合于新型桨尖旋翼气动弹性载荷分析的CFD/CSD耦合方法。旋翼流场分析采用NavierStokes/Euler方程作为控制方程,围绕旋翼生成运动嵌套网格。在流场求解中,采用双时间法推进,通量计算采用Jameson中心格式,并采用B-L(Baldwin-Lomax)湍流模型。基于Hamilton变分原理和中等变形梁理论开展桨叶弹性运动变形分析,并发展了一套具有任意转角梁单元的新方法以提高新型桨尖旋翼的动力学分析精度。采用基于代数变换方法的网格变形策略,建立了一套CFD/CSD松耦合方法,桨叶运动变形和旋翼气动力信息通过流固交接面传递。首先分别对CSD和CFD模块进行了验证,然后计算了UH-60A旋翼在高速前飞状态下的气动弹性载荷,并与试验值进行了对比,最后重点对旋翼桨尖形状进行了参数分析。计算结果表明,相比于升力线理论和刚性旋翼CFD方法,CFD/CSD耦合方法可以显著提高旋翼非定常气动弹性载荷的分析精度,并能更准确地反映新型桨尖旋翼的气动弹性耦合效应;同时采用后掠桨尖在桨叶前行侧30°~90°方位角范围可以显著降低激波强度,有利于改善旋翼的气动特性。     

直升机机体结构减振优化设计

直升机在飞行过程中,由于旋翼空气动力学环境及结构的特殊性,旋翼桨叶受到周期性的气动载荷使桨叶产生弹性振动,在桨叶内部引起结构振动载荷,其振动载荷沿桨毂传到机体上,引起机体的振动响应,从而形成直升机严重的振动问题。为了解决直升机机体的振动问题,基于 Patran/Nastran 有限元软件,对型号直升机机身进行动力学特性分析,研究旋翼载荷和机体结构等方面对机体振动的影响,并集成 Isight 优化软件对其进行结构优化分析,从而达到机体减振的效果。     

基于IBC方法的旋翼BVI噪声主动控制机理

为揭示单片桨叶控制(IBC)主动控制技术抑制旋翼桨-涡干扰(BVI)噪声的降噪机理,建立了一套基于CFD/CSD/FW-H_pds方程的综合噪声分析方法。旋翼桨-涡干扰噪声与旋翼桨叶载荷特性、气动变形以及旋翼桨尖涡结构等密切相关,为有效模拟旋翼桨叶的载荷特性及桨尖涡结构,将Navier-Stokes方程作为前飞流场的主控方程,空间离散上采用三阶MUSCL插值格式与通量差分裂Roe格式相结合;时间方向上采用双时间法,使用隐式LU-SGS格式在伪时间方向上进行推进;湍流模型采用对分离流动具有较好捕捉能力的Spalart-Allmaras模型。为提高旋翼桨叶弹性变形运动的模拟精度,建立了基于Hamilton变分原理的CSD模型,并与高精度的CFD求解器结合,发展了适合旋翼桨叶变形及载荷特性模拟的流固耦合分析方法。在CFD/CSD耦合方法分析流场基础上,使用可穿透空间积分面的FW-H_pds方法对旋翼气动噪声特性进行计算。首先,对流场及噪声数值方法进行验证;然后,着重针对UH-60A旋翼的斜下降飞行状态,分别对有/无IBC噪声主动控制条件下的旋翼BVI气动噪声特性进行了模拟,相位角、幅值和频率等不同控制参数的影响对比分析结果表明:IBC主动控制减小了前行侧桨叶表面尤其是桨叶尖部的负压峰值,降低了桨-涡干扰发生位置附近的桨叶气动载荷;同时主动控制后的桨尖涡集中程度变弱,并且增加了桨叶与桨尖涡之间的相遇距离,从而显著降低了桨-涡干扰噪声;选取合理的相位角、幅值和频率等主动控制参数组合,BVI噪声降低可达5~7dB。     

具有特型桨尖旋翼悬停状态气动噪声的初步试验研究

开展悬停状态下的具有CLOR桨尖旋翼气动噪声试验研究.为进行噪声特性对比,共设计完成三副模型旋翼,分别为参考的矩形桨叶、常后掠桨尖的桨叶以及具有CLOR桨尖气动外形的桨叶.在外场环境下,进行这三副模型旋翼在不同转速、不同桨叶安装角条件下及不同观测点上的旋翼气动噪声测量实验,测量包括声压级大小、声压时间历程及声压级频谱等.根据试验结果,对比分析具有CLOR特型桨尖旋翼与矩形桨尖以及常后掠桨尖旋翼的悬停气动噪声特性,并借助于CFD方法,以模拟桨叶上的气动载荷分布特性,得出关于非常规气动外形桨尖对旋翼气动噪声特性的影响规律,并初步体现了CLOR桨尖旋翼具有良好的噪声特性.     

前行桨叶概念旋翼气动弹性响应分析

基于CFD/CSD松耦合策略,建立了前行桨叶概念（ABC）旋翼气动弹性分析方法.CFD计算中以非定常Euler/N-S方程为控制方程,通过动态重叠网格及动网格方法实现桨叶的运动及变形;桨叶结构模型通过中等变形梁理论得到;CFD和CSD数据每隔一个旋转周期交换一次.以XH-59A直升机为例,对不同前飞速度下的旋翼效率进行了分析,计算结果与试验值吻合良好.然后对旋翼振动载荷、桨尖间距、升力偏移量及桨叶载荷进行了分析,研究了前飞速度、旋翼交叉角、提前操纵角等参数对上述动力学性能的影响.该文方法具有很好的分析精度和工程适用性,分析结果可为前行桨叶概念旋翼设计提供重要参考.     

无人直升机旋翼桨叶设计及动力学特性分析

复合材料在桨叶上广泛应用的同时使桨叶的受力、刚度特性比传统的桨叶更为复杂。为了降低桨叶工作时动应力和旋翼的振动水平,有必要对旋翼桨叶进行动力学特性分析。对旋翼总体参数及桨叶气动参数进行设计,采用CFD 方法对旋翼悬停状态进行气动特性分析,将桨叶三维非线性弹性模型分解为二维线性剖面模型和一维非线性梁模型进行动力学特性分析。结果表明：该旋翼能够成功拉起230 kg 级无人直升机,悬停效率大于0.65,工作转速下桨叶的固有频率与8 阶以下的气动激振力频率保持一定的范围,避开了转速共振区,满足桨叶动力学设计要求。     

Helicopter aeroelastic analysis with spatially uncertain rotor blade properties

This paper investigates the effects of spatially uncertain material properties on the aeroelastic response predictions (e.g., rotating frequencies, vibratory loads, etc.) of composite helicopter rotor. Initially, the spatial uncertainty is modeled as discrete random variables along the blade span and uncertainty analysis is performed with direct Monte Carlo simulations (MCS). Uncertainty effects on the rotating frequencies vary with the higher-order modes in a non-linear way. Each modal frequency is found to be more sensitive to the uncertainty at certain sections of the rotor blade than uncertainty at other sections. Uncertainty effects on the vibratory hub load predictions are studied in the next stage. To reduce the computational expense of stochastic aeroelastic analysis, a high-dimensional model representation (HDMR) method is developed to approximate the aeroelastic response as functions of blade stiffness properties which are modeled as random fields. Karhunen–Loève expansion and a lower-order expansion are used to represent the input and outputs, respectively, in the HDMR formulation which is similar to the spectral stochastic finite element method. The proposed method involves the approximation of the system response with lower-dimensional HDMR, the response surface generation of HDMR component functions, and Monte Carlo simulation. The proposed approach decouples the computationally expensive aeroelastic simulations and uncertainty analysis. MCS, performed with computationally less expensive HDMR models, shows that spatial uncertainty has considerable influence on the vibratory hub load predictions.     

The Effect of Composite Flexures on Aeroelastic Stability of a Hingeless Rotor Blade

The effects of ply orientation angle of composite flexures on stability of hingeless rotor blade system are studied.The composite hingeless rotor blade system is simplified as a hub,a flap flexure and a lag flexure.pitch bearing and main blade.The kinematics formulations are inferred by employing the moderate deflection beam theory.The shear deformation and warping related to torsion are considered.The quasi-steady strip theory with dynamic inflow effects is applied to obtain the aerodynamic loads acting on the blade.Based on these.the set of finite element formulations of a hingeless rotor blade system is worked out.The numerical results show that the ply angle of the composite flexures has great effects on the aeroelastic stability of rotor blade.     

大速度状态下桨毂振动载荷计算方法

依据大速度前飞状态桨叶气动环境,通过对桨叶动力响应、翼型气动力、流场尾迹分布和桨根力等四个方面的分析,建立桨毂振动载荷预计模型。基于Leishman—Beddoes的附着流模型和动态失速模型计算翼型气动力,桨叶运动考虑刚性挥舞模态和弹性挥舞模态,诱导速度采用动力人流理论和Pite—He广义动态尾迹理论。利用状态空间法对方程进行离散化处理。以某型直升机为例。通过几种不同模型的计算,表明流场尾迹分布和桨叶运动变形对桨毂振动载荷预计有较大影响。     

Aeroelastic analysis and structural parametric design of composite rotor blade

Based on FEM theory, a method of dynamic analysis for hingeless rotors considering anisotropic composite materials is established. A parametric modeling method of composite blade with typical profile and high simulation degree for design is proposed. Through the finite element method, the profile characteristics of rotor blade can be obtained efficiently and accurately, and the synchronization of parametric design and finite element analysis of structural characteristics can be realized. Then a 23-degrees of freedom non-linear beam element is used to simulate the extended one-dimensional beam, thereby a non-linear differential equation describing the elastic motion of the rotor is established. To obtain the cross-sectional target characteristics of the blades, an inverse design method is proposed for cross-section components based on combinatorial optimization algorithm. The calculation and validation work show that the proposed model can effectively analyze the aeroelastic characteristics of general composite rotors. Further, the influence of cross-sectional parameters on the aeroelastic stability and hub loads of hingeless rotor is analyzed and some remarkable conclusions are obtained.     

带后缘小翼的旋翼振动载荷计算

建立了考虑弹性桨叶、刚性小翼的旋翼气动弹性分析模型和旋翼载荷计算方法.以广义质量和广义力的形式描述小翼惯性力和气动力对系统的影响,以非定常/动态失速模型计算剖面气动力,结合基于实验数据修正的组合气动模型计算带小翼部分的剖面气动力,集成大变形桨叶模型考虑弹性变形的非线性,以力积分法计算桨叶剖面振动载荷.通过计算分析与实验结果相比较,验证了建立的气动弹性模型和载荷计算方法.结果表明:建立的桨叶结构模型精度很高,气弹模型能够准确预测旋翼的振动载荷,挥舞弯矩平均误差控制在9.1%,使用修正的小翼气动模型能有效提高小翼运动时桨叶振动载荷的计算精度.      

带受控振荡附翼的新概念旋翼气动弹性分析

通过建立带受控振荡附翼的新概念旋翼气动弹性分析模型,研究了采用受控振荡附翼的直升机旋翼气动弹性特性及其在降低旋翼振动载荷方面的有效性。气动模型采用了计及振荡附翼非定常影响的二元叶素模型。探讨了改变旋翼桨叶及振荡附翼的结构参数对新概念旋翼减振效果的影响。数值结果表明振荡附翼的引入能有效地降低旋翼桨毂的振动载荷。为振荡附翼的振动自适应控制律设计提供了有效的旋翼气动弹性分析方法。     

弹性耦合对复合材料旋翼前飞气弹响应及载荷的影响

 给出一套计算复合材料旋翼前飞气弹响应和桨榖载荷的方法,所用结构模型考虑横向剪切变形、剖面面外翘曲变形和复合材料弹性耦合的影响。气动模型采用准定常升力线理论和Drees线性入流模型,翼型升力、阻力系数来自风洞试验。构造出21自由度梁单元,应用Hamilton 原理推导出桨叶运动的有限元方程。在此基础上,研究弯曲-扭转和拉伸-扭转耦合对复合材料旋翼前飞气弹响应和桨榖振动载荷的影响。结果表明：弹性耦合对扭转方向的影响很大,对挥舞和摆振两个方向的影响很小;各种弹性耦合对桨榖振动载荷有着不同程度的影响,负的摆振弯曲 扭转耦合和正的拉伸 扭转耦合使桨榖垂直方向的振动载荷降低5%左右。     

变转速刚性旋翼性能与载荷风洞试验

为研究转速变化对旋翼性能与振动载荷的影响,研制了一副无铰式刚性缩比模型旋翼,开展动力学和马赫数相似的悬停试验与风洞试验。试验研究不同旋翼拉力和吹风速度时变旋翼转速对配平、性能、桨叶与拉杆载荷、桨毂载荷等多个方面的影响,以性能和交变载荷的重复性与周期性证明试验结果是可信的。结果表明：降转速可降低旋翼悬停和前飞状态的需用功率,且拉力越低效果越明显;降转速对桨毂振动载荷影响不明显,但增加了配平所需的周期变距操纵,会增加桨叶与变距拉杆的旋翼转速频率振动载荷,对旋转部件疲劳寿命不利;变旋翼转速应避开旋翼固有频率,防止因共振而导致交变载荷增大。