应用FLOQUET理论分析直升机旋翼-机身耦合动不稳定性

本文详细论述了求解周期系数微分方程的Floquet理论及其在直升机旋翼-机身耦合动不稳定性分析中的应用,建立了一套实用的计算方法。这种计算方法,不仅可以分析旋翼特性各向同性的情况,还可以分析旋翼特性各向异性的情况,尤其对于旋翼特性各向异性情况下的旋翼-机身耦合动不稳定性的分析,该计算方法是目前最为有效和可靠的方法。本文给出了旋翼特性各向同性和各向异性情况下直升机旋翼-机身耦合动不稳定性算例计算结果,分析了一个减摆器失效和减摆器阻尼特性存在差异度情况下的耦合系统的动不稳定性,并得出明确的结论。     

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。     

直升机旋翼/机身耦合系统模型导纳的测试研究

直升机旋翼和机身子系统以及其耦合系统的导纳是用动柔度匹配法确定直升机旋翼 /机身耦合系统固有频率必要的数据 ,我们已推导了它们的分析表达式 ,为验证分析表达式的可用性 ,须进行试验测试与研究。由于旋翼的转动 ,给实测带来困难 ,作为起步 ,从模型试验开始。本文介绍旋翼 /机身耦合系统模型及其子系统的导纳的测试方案、试验程序 ,综述以作者自行设计的旋翼 /机身耦合系统模型进行试验所得到的结果及其与理论计算结果的比较。结果表明 ,测试方案与试验方法是可行的 ,理论分析计算公式是正确的     

直升机旋翼/机身耦合系统气动/机械稳定性分析

考虑了铰接式旋翼桨叶绕挥舞、摆振和变距铰的整体刚性运动与桨叶中等弹性变形之间的动力学耦合作用,将直升机机身和传动轴作为弹性体。通过构造一种特殊的24自由度刚柔混合单元得到旋翼/机身耦合系统的周期时变动力学方程,根据Floquet理论对稳态周期解的稳定性进行研究。计算结果表明,旋翼轴的截面刚度对旋翼/机身耦合系统的气动/机械稳定性有一定的影响。      

直升机机身振动响应有限元分析

某型直升机的响应计算通过建立该机全机有限元模型，采用标准软件MSC．nastran提供的求解序列SOL111，即频率响应的模态求解法完成全机传递函数计算。然后根据该型机旋翼桨毂载荷，计算了频率等于旋翼一阶通过频率的旋翼桨毂载荷作用下的机身的加速度振动响应，计算结果为该型机全机振动水平预估提供原始数据。     

直升机发动机控制系统与旋翼/动力传动扭振系统耦合稳定性分析

直升机的发动机通过传动系统驱动旋翼及尾浆,形成了一个机械扭振系统,这个系统又与发动机控制系统相互耦合构成一个闭环的动力学系统。本文针对某型直升机建立了相应闭环系统的数学模型,分析、判断闭环系统的稳定性及稳定裕度;研究了使用下陷滤波器来改善耦合系统稳定性的设计思路和参数调整的试验方法。     

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。     

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。     

舰载直升机旋翼/机体非线性耦合稳定性分析

基于多体动力学方法建立了舰载直升机旋翼/机体耦合系统的动力学模型,其中机体起落架模型由非线性的液压作动器和橡胶轮胎两部分组成,而舰船的横摇和纵摇以简谐激励的形式通过起落架传递给旋翼/机体系统.针对不同的舰船激振频率,研究舰载直升机起动过程中旋翼/机体系统的时间响应历程和动力学稳定性.结果表明:舰载直升机的机体和桨叶摆振自由度在舰船激励下均会出现极限环振动现象,并且当舰船激振频率与旋翼旋转频率相等时会激发出旋翼的摆振后退型模态的极限环振动,使旋翼重心偏离桨毂中心,进而可能导致“舰面共振”事故发生.      

一种直升机运动模态中纵横向耦合分析方法

提出了一种定量分析直升机纵横向耦合特性的方法,包括运动模态中状态量间耦合作用的幅值特性、时间特性和积分特性。幅值特性描述耦合作用的相对强弱,时间特性描述耦合作用起增强/减弱作用的时间比例,积分特性描述耦合作用引起状态量发散/收敛的快慢。将该方法应用于“美洲豹”直升机悬停状态的典型纵向振荡模态,对比分析了该运动模态纵横向分离和纵横向耦合情况下状态量之间的耦合特性。分析发现,纵横向耦合使得横向速度和滚转角速度对俯仰角速度产生耦合,耦合强度是纵向速度对俯仰角速度耦合作用的近3倍,并加快了俯仰角速度的发散。纵横向耦合显著改变了该运动模态的耦合特性,进而影响了其稳定性。      

直升机旋翼/动力传动链扭振分析与试验

本文以某型机为例，对旋翼／尾桨／动力传动系统扭振特性进行了综合建模分析与试验，试验表明整个传动链的扭振固有频率和振型计算结果正确，为消除动力传动链扭振与发动机燃油调节系统耦合动不稳定性提供了可靠的设计依据，提出的传动链扭振与发动机燃调系统耦合稳定性检查试验方法，首次在该型机的研制中取得成功。     

复合式常规旋翼高速直升机机身气动布局风洞试验研究

复合式常规旋翼高速直升机是国内外高速直升机重点发展的几种构型之一。本文首先简要介绍了某300kg复合式常规旋翼高速直升机的机身气动布局形式,针对该机设计并加工了1∶1.5机身风洞试验模型,在4m×3m风洞开展了机身气动特性风洞试验。通过对比不同机身部件组合状态在不同迎角、侧滑角条件下的气动力及纵横向气动导数,获得了全机及各部件气动性能。根据风洞试验结果,结合已建立的旋翼气动力模型和螺旋桨气动力模型,建立了全机飞行力学模型,并分析了不同飞行速度下全机的静稳定性,验证了该复合式高速直升机具有合理的机身气动布局,研究结果可为复合式常规旋翼高速直升机的进一步发展提供参考。     

直升机旋翼对机身气动干扰的计算

基于旋翼自由尾迹模型和三维机身源面元模型，建立了一个全耦合的旋翼／机身气动干扰迭代计算方法。为正确模拟旋翼桨尖涡与机身表面间的大定常贴近干扰，采用了一个“分析数值匹配法”的“贴近涡／面干扰模型”。应用该计算方法，分别计算了旋翼干扰状态下的机身表面点的非定常压强分布和机身的非定常气动升力，俯仰力矩随前进比的变化，以及干扰前后的机身定常压强分布。计算表明，机身上由于旋翼的干扰引起的非定常气动载荷呈现出与旋翼相同的周期性。然后，对比了本“贴近涡面干扰模型”和先前“截断涡线模型”对干扰计算的影响，表明了前对计算结果的重要改进。     

直升机悬停纵向运动模态的耦合

针对直升机运动模态内状态量间的耦合,提出了一种定量分析方法.该方法基于解耦得到的运动模态,结合气动导数矩阵,定量描述运动模态内状态量间的耦合,通过耦合的瞬时特性和积分特性定量区分各耦合.以Lynx,Bo105和Puma直升机为例,分析了三者悬停纵向运动模态的耦合特性.分析表明,纵向线速度通过空速稳定性对俯仰角速度的耦合作用在不稳定的悬停纵向振荡模态中起重要作用.基于算例的定量分析,筛选主要耦合得到简化模型,因此得到的运动模态固有频率和阻尼比的偏差小于2%,优于文献中的简化模型,说明了通过定量分析得到简化模型的可行性.      

直升机旋翼/机身非定常气动干扰数值分析

基于非定常面元/时间步进全展自由尾迹建立了旋翼/机身非定常气动干扰分析方法。方法中耦合了非定常面元法和时间步进自由尾迹,以准确模拟旋翼非定常气动力、旋翼尾迹及桨叶对机身的非定常干扰效应。为模拟前飞状态下具有升力的机身,将机身离散为汇/偶极子面元,并采用涡线镜像法模拟旋翼尾迹靠近机身表面产生的加速效应。通过计算前飞状态的Maryland、ROBIN(Rotor Body INteraction)旋翼/机身干扰下的非定常压力分布,并与可得到的实验值、CFD计算结果对比,验证方法的准确性。随后分析前飞速度、旋翼与机身距离对旋翼/机身非定气动干扰的影响。计算结果表明机身头部和中部非定常压力主要受桨叶的通过性影响,而机身尾梁主要受尾迹/机身干扰影响,机身非定常气动力频率为桨叶片数的倍频。随前飞速度的增加,机身非定常压力幅值增加,尾梁压力幅值先增加后减小;增加旋翼与机身距离将减小机身和尾梁非定常压力幅值。     

高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性分析

研究双拉力螺旋桨复合式高速直升机的气动特性可以为高速直升机的设计及气动优化提供参考。基 于动量源方法构建针对双拉力螺旋桨复合式高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性数值计算及分析方法;对 孤立旋翼、旋翼/机身干扰进行算例验证;应用所构建的方法对双拉力螺旋桨高速复合式直升机悬停及前飞状 态的干扰流场进行数值模拟,分析机身对悬停流场影响及不同前飞速度旋翼/螺旋桨/机身干扰特性。结果表 明:悬停时机身对气流的阻塞作用降低了旋翼的升力,螺旋桨对旋翼下洗气流的加速作用使旋翼升力提高;低 速前飞时旋翼/螺旋桨/机身干扰较大,主要体现在旋翼下洗流造成螺旋桨滑流偏折以及机翼上表面压力分布 增大,高速前飞时这种干扰较小。     

基于矩阵运算的直升机旋翼/机体耦合动力学模型

针对直升机旋翼/机体耦合动力学建模中,小角度线性简化带来的计算精度下降以及适用范围缩小等问题,在计算桨叶速度及加速度时,基于矩阵运算,保留了运动的非线性。对不同机体运动幅值和频率情况下的小角度线性简化对桨叶速度的影响进行了仿真分析,结果发现,随着机体运动幅值的增加,线性简化影响越来越大,滚转幅值 15°时,简化带来的误差超过 5%;俯仰幅值 15°时,简化带来的误差超过 6%,且随着机体运动频率的减小,误差越来越大。对不同桨距的情况进行仿真,结果表明,所建模型可以很好地模拟直升机的动态响应,采用该模型可进行直升机旋翼/机体耦合动态响应仿真分析。     

前飞状态直升机旋翼／机身非定常气动干扰的分析

一个计算旋翼／机身／尾迹间非定常气功干扰的分析方法是建立在二阶升力线／全展自由涡模型和机射面元模型基础之上的。通过迭代机身在桨盘平面、阡迹定位点的诱导速度和旋翼／尾迹在机身表面的诱导速度,形成一个耦合的分析模型。在分析中计入了非定常项。作为算例,对两种孤立机身表面的平均压强系数分布以及旋翼机身组合体中机身表面的非定常压强系数分布进行了计算,其结果与实验值相吻合。     

直升机旋翼机身发动机耦合流场数值模拟

运用计算流体力学(CFD)数值工具研究旋翼机身发动机空气动力干扰.通过生成多块贴体网格,运用有限体积方法直接求解了不可压N-S方程.分析了某直升机低速前飞时的流场性质.首先对孤立机身周围粘性流场进行数值模拟,然后运用作用盘模型分析了旋翼机身空气动力干扰对机身压力分布等方面的影响;最后运用简单的发动机模型分析了发动机进出口对直升机流场的影响.      

共轴刚性旋翼直升机与单旋翼直升机操稳特性对比研究

为研究共轴刚性旋翼直升机与传统单旋翼直升机飞行动力学特性的差异,分别针对两种构型的直升机建立了飞行动力学模型。根据全机平衡方程进行了不同飞行速度下两种构型直升机的配平特性验证计算;依据“小扰动”假设建立了线化运动方程组,对悬停及前飞状态下的样例直升机进行了操稳特性的对比计算与分析。结果表明:两种构型样例直升机在操稳特性总体表现较为相似。在稳定性表现上,单旋翼构型直升机的非周期模态、螺旋模态及前飞时的操纵性能均优于共轴刚性旋翼构型直升机;不同于单旋翼构型,悬停及前飞状态下共轴刚性旋翼直升机的滚转与偏航操纵性能均变差。