直升机“地面共振”力学模型的再探

 真实直升机是桨叶具有摆振与挥舞自由度、组成起落架的缓冲支柱与轮胎具有随频率变化的动特性的“空间模型”。本文第一次导出了描述上述系统的“地面共振”运动微分方程,给出了确定动稳定性的计算方法。通过算例,证明本文提出的力学模型与计算方法的合理性与有效性。     

大小叶盘结构连续参数模型和振动模态

给出了用于研究大小叶片整体叶盘结构固有振动特性分析的连续参数模型。模型用 Timoshinko梁模拟叶片 ,用平板模拟轮盘 ,并在叶片和轮盘间引入弹簧元件模拟叶片和轮盘间的耦合关系 ,简化了两者间的边界条件和连续性条件。采用 Gram-Schmidt方法生成正交多项式作为李兹容许函数进行模型的离散化 ,简化了所得到的频率方程求解过程 ,有利于求解过程的数值稳定性 ,并可方便地通过对方程系数性质的分析了解结构振动模态的性质。利用上述的分析原理和求解方法 ,进行了简化的大小叶片整体叶盘结构的计算 ,计算结果与有限元计算结果具有很好的一致性      

前飞状态旋翼动稳定性及自由度间相互作用研究

为研究直升机在前飞状态下的稳定性,建立了前飞状态下旋翼的结构模型、气动力模型和平衡方程组。对方程组的周期系数处理以及前飞时的相关参数对旋翼动稳定性的影响等进行了研究。在前飞动稳定性分析中引入动力入流自由度。从分析各个自由度间的相互作用入手揭示旋翼动不稳定性的物理本质及影响因素。      

双级风扇三维粘性非定常流动的数值解

针对一台双级跨音速轴流风扇动静叶片排相互干扰的三维非定常流动,进行了N-S方程的数值求解。首先计算风扇定常流场,以定常流收敛结果为起始场计算非定常流动。计算结果表明,非定常流动对各叶片排进口气流角有较大的影响,其中静叶的变化大于动叶,与定常流结果相比,非定常的瞬态攻角增大的量大于减少的量,最多时增大近10°左右。静子叶片受到的非定常气动力变化幅度也大于转子叶片,叶片排所处的轴向位置不同,非定常流动的影响会有较大的差别。      

直升机全量飞行动力学数值仿真模型及其实现

论述了一种通用的直升机飞行动力学全量数值仿真模型及其实现，该模型有６个机体自由度和３个旋翼自由度。以旋翼系统的仿真为重点，将直升机旋翼的气动力和力矩通过沿半径和方位角的解析积方求得，并计入了旋翼挥舞动力学的影响。仿真模型以某型直升机为算例，并加入了增稳系统，对仿真模型飞行特性进行了初步的验证，结果表明，所述模型思路是正确的。     

Dynamic response analysis under atmospheric disturbances for helicopters based on elastic blades

A flight dynamics model based on elastic blades for helicopters is developed. Modal shape analysis is used to describe the rotating elastic blades for the purpose of reducing the elastic degrees of freedom for blades. The analytical result is employed to predict the rotor forces and moments. The equilibrium equation of the flight dynamics model is then constructed for the elastic motion for blades and the rigid motion for other parts. The nonlinear equation is further simplified, and the gradient descent algorithm is adopted to implement the trim simulation. The trim analysis shows that the effect of blade elasticity on the accuracy of rotor forces and moments is apparent at high speed, and the proposed method presents good accuracy for trim performance. The time-domain response is realized by a combination of the Newmark method and the adaptive Runge-Kutta method. The helicopter control responses of collective pitch show that the response accuracy of the model at a yaw-and-pitch attitude is improved. Finally, the influence of blade elasticity on the helicopter dynamic response in low-altitude wind shear is investigated. An increase in blade elastic-ity reduces the oscillation amplitude of the yaw angle and the vertical speed by more than 70%. Compared with a rigid blade, an elastic blade reduces the vibration frequency of the angular veloc-ity and results in a fast return of the helicopter to its stable flight.     

直升机前飞空中共振稳定性和各自由度相互作用研究

直升机在前飞状态下的稳定性研究比悬停时复杂得多。主要针对直升机前飞状态下的空中共振的稳定性加以研究,建立了旋翼和机体的结构模型、气动力模型和平衡方程组;计算和分析了某些典型情况的特征值、特征向量和各自由度之间的相互作用。在方程组的周期系数处理以及前飞时的相关参数对直升机空中共振稳定性的影响等方面进行了研究。从分析各个自由度间的相互作用入手揭示了直升机空中共振的物理本质及影响因素。     

考虑几何偏心的斜齿轮耦合转子系统振动响应分析

以一个2对斜齿轮耦合的三平行轴转子系统为研究对象,考虑静态传递误差、齿轮几何偏心等因素的影响,建立了全自由度通用齿轮啮合动力学模型,并将其与转子系统有限元模型进行耦合,建立了平行轴系齿轮转子系统的有限元模型,其中转子系统采用梁单元来模拟,齿轮之间的啮合通过啮合刚度矩阵和阻尼矩阵来模拟,最后分析了静态传递误差、转子质量不平衡、齿轮几何偏心以及三者耦合对系统动力学特性的影响.研究结果表明:齿轮几何偏心对啮合力有很大影响,其作用相当于一个扭矩作用于齿轮.      

Modeling the influence of inter-blade connections and variable rotor speed on the aeromechanical stability of a helicopter

A method of modeling the effect of inter-blade connections and variable rotor speed on the aeromechanical stability of helicopters is presented. The model incorporates twelve degrees of freedom. The new effects that are investigated in the present study result in a system of equations of motion that the usual Multiblade Coordinate Transformation (MCT) cannot deal with. Therefore, suitable coordinate transformations are defined: The Modified Multiblade Coordinate Transformation (MMCT) and the Extended Multiblade Coordinate Transformation (EMCT). These transformations are derived and their implementation is presented. A large part of the derivation is carried out using a symbolic algebra software. An eigenvalue analysis of the final linearized transformed equations defines the aeromechanical stability. Finally some preliminary results are presented that help in validating the model and pointing out the importance inter-blade connections and variable rotor speed can have on the dynamics of the system.     

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Lagrange方法的直升机地面共振分析模型

建立直升机旋翼/机体耦合运动微分方程是进行地面共振分析的基础。运用坐标转换矩阵得出桨叶上任意一点在惯性坐标系下的坐标和速度,由此可以得到旋翼/机体耦合系统的动能、势能和耗散能,用Lagrange方法推导出了直升机旋翼/机体耦合运动微分方程。用地面共振分析常用的Coleman模型对文中的模型进行比较验证,结果显示,文中模型与Coleman模型结果是一致的,可以认为文中的模型是正确的。     

Applications of numerical optimization techniques to design of axial compressor blades

This paper describes the shape optimization of NASA rotor 37 and rotor and stator blades in a single-stage transonic axial compressor.Shape optimization of the blades operating at the design flow condition has been performed using the response surface method and three-dimensional Navier-Stokes analysis.Thin-layer approximation is introduced to the Navier-Stokes equations,and an explicit Runge-Kutta scheme is used to solve the governing equations.The three design variables,blade sweep,lean and skew,are introduced to optimize the three-dimensional stacking line of the blades.The objective function of the shape optimization is an adiabatic efficiency.Throughout the optimization of rotor and stator blades, optimal blade shape can be obtained.It is noted the increase of adiabatic efficiency by optimization of the blade shape with the stacking line in the single-stage transonic axial compressor is more effective in a rotor blade rather than a stator blade because of the large deformation of blade shape in the stator blade.      

上下游干涉对转子叶片颤振特性的影响

使用自行开发的非定常流动数值模拟程序,分别考虑上、下游叶排干涉作用对转子叶片的颤振特性进行了研究,分析尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.对转子叶片表面非定常压力进行傅里叶变换,使用能量法计算气动阻尼,研究不同叶片排轴向间距下气动阻尼的变化.通过考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子结果对比,总结了干涉作用对叶片颤振特性的影响规律;结果表明:上游导叶与转子一倍弦长间距时,获得正气动阻尼,与单转子预测的气动弹性稳定性结果相反.说明在进行颤振特性预测时必须考虑转静干涉作用;尾迹和势干扰的强度均随着轴向间距值的减小而加强,且都会加剧叶片气动弹性失稳.      

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.      

大展弦比飞机运动稳定性建模及分析

随着飞机设计技术的提高和新型材料的应用,现代飞机气动弹性效应越来越显著,刚体运动和弹性体振动互相解耦的关系不再明显,在分析弹性飞机相关问题时,应该综合地、统一地考虑飞行动力学与气动弹性力学问题。本文在一般体轴系下综合考虑了飞机刚体运动自由度和弹性振动自由度,建立弹性飞机刚弹耦合运动的方程,通过在配平状态下引入小扰动运动假设,以及利用有理函数拟合技术将偶极子格网法计算所得到的频域非定常气动力转化为时域形式,建立了大柔性飞机刚弹耦合小扰动状态空间方程,并对纵向运动稳定性进行分析计算。针对文中构型飞机,运用本文所采用的方法计算所得结果与传统的线性及刚体计算所得结果进行对比分析,非线性计算方法所得颤振速度更小,而且失稳模态亦发生变化,对于飞行力学模态而言,长周期模态稳定性变差,在计算速度范围内出现失稳的现象,由此说明机翼大变形对飞机稳定性所带来的影响。     

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

二维轴流压气机转—静非定常Euler方程数值计算

将Euler方程写在包括转子和静子的绝对坐标系下,通过在转—静之间设计一个可以随时间扭动的平行四边形网格计算了二维轴流压气机转—静非定常流场。由于整个方程统一写在动网格下,转—静之间没有使用插值。      

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.     

基于计算电磁学方法的旋翼雷达散射截面特性

以Maxwell方程组为主控方程,时间离散采用4步Runge-Kutta法,空间离散使用MUSCL(monotonic upstream-centered scheme for conversation laws)格式与Steger-Warming通量分裂结合的方法,建立了一套基于时域有限体积法的旋翼RCS(雷达散射截面)特性数值计算方法.采用代数方法生成围绕旋翼的O型贴体、正交网格.在验证方法有效性基础上,着重分析了旋翼平面和翼型RCS极化、入射角、电尺寸等影响特性,并给出了翼型几何特点对RCS的影响规律;然后运用线性加权和法进行了旋翼翼型隐身性能的综合筛选.研究表明:旋翼RCS动态包络线是一个强散射水平的连续振荡区域;选取3片桨叶旋翼的最大雷达探测距离为2片桨叶的82.2%,且有利于控制旋翼的散射最大峰值.同时,HH02旋翼翼型在4个重要的散射角域,最大探测距离分别为NACA0012翼型的105.1%,99.4%,86.6%和83.5%,表明综合雷达隐身性能最好.     

直升机旋翼桨叶的弹性碰撞动力学建模

建立了直升机旋翼桨叶弹性正碰撞的动力学模型,采用有限转动梁理论处理桨叶的弹性变形,利用Hertz接触理论处理局部弹性变形,引入位移协调方程识别弹性碰撞载荷,运用Hamilton原理建立了桨叶正碰撞的动力学方程.通过与Timoshenko算例的对比表明了该方法的正确性,且对集中质量与直升机桨叶的弹性正碰撞问题进行了研究.