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.      

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。      

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.     

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。     

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。     

直升机的气动弹性问题

直升机的气动弹性问题与固定翼飞机不同,不仅要考虑单片桨叶,更要将旋翼视为一个整体,考虑其动态入流、尾迹影响以及旋翼与机身之间的相互耦合等。就单片桨叶而言,在结构动力学上,需要考虑离心力场、几何非线性以及桨叶的非线性挥舞-摆振-扭转耦合;在气动力上,需要考虑动态入流以及桨尖处可能的失速效应,本质上属于非线性气动弹性力学范畴。由于旋翼气动力通常是以周期形式通过旋翼轴传给机身,并引起机身振动,而机身运动又通过改变桨叶根部形态反过来影响旋翼的气动弹性特性,这种旋翼/机身耦合问题,也是近年来直升机气动弹性问题研究中的重要方向和热点之一。此外,随着旋翼流场数值分析方法的日趋成熟,采用动态重叠网格或滑移网格方法来实现桨叶运动,并通过动网格技术来实现桨叶的弹性变形,从而实现弹性旋翼流场的数值模拟,目前正呈现出勃勃生机,成为直升机气动弹性研究的又一重要方向和热点。随着各种新构型直升机的相继出现,如倾转旋翼机、前行桨叶概念旋翼(ABC)直升机和复合式直升机等,也带来了新的气动弹性问题。不断发现问题、解决问题,推动本学科持续发展,永远是气动弹性工作者终身奋斗的目标。     

全模颤振风洞试验三索悬挂系统多体动力学分析

全模颤振风洞试验需要通过软支撑系统模拟飞行器的自由飞行状态并调整模型姿态达到配平状态。参考NASA双索悬挂方案,提出了一种两电机驱动的三索悬挂系统,利用后方两索的同向/反向联动实现模型俯仰和滚转姿态的调整,利用弹簧刚度以及钢绳张力设计实现支撑频率要求。基于柔性多体动力学方法,建立了包括飞行器刚体模型、柔性索、滑轮、弹簧、气动力模型、伺服电机控制在内的复杂系统动力学模型,其中,利用任意拉格朗日-欧拉（ALE）变长度索单元描述钢绳,利用不约束物质坐标的索结点约束描述钢绳与滑轮相互作用,利用索结点物质输运速度约束描述伺服电机绞盘,利用飞行力学的气动力模型描述吹风下的气动力。基于该模型,通过小扰动响应辨识研究了弹簧刚度、钢绳张力、连接点位置等因素对支撑频率的影响规律,并分析了系统姿态调整能力,俯仰调整范围达到-12.5°~12.5°,滚转调整范围达到-45°~45°。采用滑轮处电位计测量的钢绳相对位移作为反馈信号,基于设计的控制律利用多体动力学求解器与Simulink对风洞吹风下的姿态调整过程进行仿真,模型达到配平状态,获得了吹风下的索拉力和伺服电机功率,为系统设计提供基础。     

多体系统的计算机自动建模方法

文章基于D’Alembert虚功原理，系统地论述了计算机自动建立链状多体系统动力学方程的方法，并给出了在系统中加入约束条件的矩阵方法，因而使所推导的计算机自动建模方法也适用于约束多体链系统。     

基于CFD/CSD耦合方法的旋翼气动弹性载荷计算分析

为提高直升机前飞状态下旋翼非定常气动弹性载荷的预估精度,在旋翼气动弹性综合分析方法中引入旋翼CFD模块,建立了一套基于CFD/CSD松耦合分析的计算方法和程序。为高效解决流固耦合方法中由于桨叶挥舞、扭转等弹性变形带来的旋翼贴体网格变形问题,采用基于代数变换方法的网格变形技术,桨叶运动变形量和旋翼气动力信息通过流固交接面传递。旋翼流场分析方法中,主控方程采用耦合S-A湍流模型的Navier-Stokes方程,围绕旋翼流场的网格采用结构嵌套网格方法生成,无黏通量计算采用Roe格式,时间推进采用双时间法。旋翼结构分析中,考虑旋翼配平,基于Hamilton变分原理和20自由度Timoshenko梁模型求解弹性旋翼非线性运动方程。分别对CSD和CFD方法进行验证,在此基础上,计算了SA349/2旋翼桨叶在前飞状态下的非定常气动力、挥舞弯矩、摆振弯矩和扭转力矩,并与飞行测试数据进行了对比。计算表明: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,精确捕捉桨叶表面压强峰值、激波位置等,表明本文发展的旋翼CFD/CSD耦合方法可以有效地运用到旋翼气动弹性载荷的预测分析中。     

基于格子玻尔兹曼方法的旋翼三维气动力学分析

提出运用格子波尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）分析微型旋翼 的气动特性。以APC11x47 型螺旋翼为分析对象, 实物的结构信息通过三维激光扫描和 逆向工程的方法输入计算机, 使用基于LBM 的软件计算其不同转速下的螺旋翼产生的 升力,最后得到其升力系数。     

球轴承多体接触动力学研究

考虑钢球、套圈和保持架的动态接触关系,提出了机械系统中球轴承多体动力学分析的新方法.基于套圈滚道的三角网格模型,实现了钢球和套圈滚道的动态接触力的预测搜索算法,建立了计及润滑和Hertz接触作用的三维角接触球轴承多体接触动力学模型.运用广义-α方法计算分析了预紧力和旋转径向力作用下角接触球轴承的多体接触动力学特性,获得了球轴承的动态接触力、拖动力和运动轨迹及频谱等振动响应,并利用Gupta经典实例模型进行了实验验证.轻载中等速度下钢球的角速度以184.5rad/s-2波幅周期变化,旋滚比以0.01波幅周期变化,角加速度与动态接触载荷的频谱具有相同的56.1,112.2Hz等谐波倍频成分.中等载荷高速下保持架中心的运动轨迹呈现出以83.3Hz和200Hz双频率拟周期的平动运动.      

厘米级微型发动机转子系统分析

重点讨论了厘米级微型发动机转子系统的结构与动力特性,总结了微型涡轮发动机轴系和动力学设计的一般规律和特点,指出了微型发动机转子结构与动力特性研究的方向。     

前行桨叶概念旋翼动力学分析方法

根据前行桨叶概念(ABC)旋翼配平方程中未知量多于方程数的特点,提出了一种基于优化的配平问题求解方法。进而结合计算流体力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)松耦合策略,建立了ABC旋翼动力学分析方法。CFD分析中以非定常Euler/Navier-Stokes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;桨叶结构模型采用非线性中等变形梁理论建立。以XH-59A直升机为例,对不同前飞速度下的旋翼效率进行了仿真分析,计算结果与飞行试验值吻合良好。仿真结果表明,该旋翼动力学分析方法具有很好的分析精度和收敛性,可广泛应用于ABC旋翼动力学分析。     

支承刚度各向异性部分充液转子系统的稳定性

在二维无粘旋转流体模型的基础上,本文研究了支承刚度各向异性部分充液转子系统的稳定性问题,系统地分析了转子系统的各参数对其稳定性的影响。结果发现转子的支承刚度非对称并非一定导致出现两个互相独立的不稳定区。      

转子系统不平衡故障的再现方法浅析

针对转子系统不平衡特征再现设计问题,提出1种基于动力学相似关系的模型再现方法。根据转子系统的振动微分方程,通过积分模拟法和量纲分析法建立转子系统中转轴、转盘、弹性支承和不平衡量的相似关系。根据相似关系,设计了原型不平衡转子系统的动力学相似模型,利用有限元方法仿真验证了所得相似关系的正确性。试验采用最小二乘三点法识别原型与模型不平衡转子试验台的不平衡量,给出再现原型不平衡特征的过程,验证了不平衡特征再现设计方法的有效性。总结了基于动力学相似关系的转子系统不平衡特征再现设计方法。     

气动弹性计算中网格变形方法研究进展

网格变形是气动弹性计算中实现计算网格随运动边界变形的主要方法。在总结目前网格变形方法发展现状的基础上,对近几年常用的网格变形方法,即弹簧法、弹性体法、超限插值法、Delaunay背景网格法、径向基函数插值法和温度体法等做了简要的总结。根据各方法构建模型的不同,将它们分成物理模型法、数学插值法和混合方法3类,简要介绍了各方法的基本思想和研究进展,重点比较了各方法的网格变形特性（变形能力、变形质量和变形效率）和优缺点。总结了当前流场边界与结构边界的数据传递方法,对当前气动弹性计算中遇到的网格变形的难点问题作了简要评述并对未来网格变形方法的发展方向进行了探讨。     

惯性释放在飞行器静气动弹性仿真中的应用

介绍了惯性释放理论以及基于CFD/CSD耦合的静气动弹性计算方法,比较了静气动弹性计算中的三种系统载荷平衡方法。三种方法的计算结果分析表明,在气动弹性计算中应用惯性释放方法能够降低施加模型约束的难度,提高模型描述的准确性及仿真计算精度。