旋翼翼型定常-非定常特性综合优化设计新方法

旋翼翼型对直升机旋翼及全机气动特性有至关重要的影响。结合直升机飞行特性及旋翼工作气动环境,本文提出了一种新的旋翼翼型设计理念,即定常优化设计同非定常设计相结合的方法来开展直升机旋翼专用翼型的优化设计。首先,建立旋翼翼型非定常气动特性的高精度CFD求解方法,以获得旋翼翼型在相应状态下的升力、阻力和力矩等气动参数。其次,针对旋翼翼型优化状态的特点,对于翼型静态优化及动态失速优化分别采用遗传算法和序列二次规划算法。在上述方法建立基础上,首先针对定常状态下的原始翼型(SC1095)进行优化设计,获得一个满足设计要求的静态优化翼型,进一步着重对该翼型在非定常状态下进行优化设计,成功地得到一种新翼型,并具有非常规外观。结果表明,在设计状态下,新翼型在保持良好定常气动特性的同时,明显减弱了动态失速状态下的分离涡,从而显著改善了翼型的动态失速特性。     

基于混合网格的直升机旋翼/机身非定常干扰流场数值模拟方法

基于混合网格建立了一个适合于直升机旋翼/机身非定常干扰流场的数值模拟方法。其中,采用混合网格系统生成旋翼/机身干扰流场网格以降低网格生成难度;将二阶MUSCL格式和Roe格式相结合进行空间离散以提高流场的计算精度;同时引入隐式LU-SGS时间格式和OpenMP并行模式以提高干扰流场的计算效率。应用建立的计算方法,对Georgia和Robin旋翼/机身模型进行了数值模拟和分析,与试验结果良好的相关性表明了该方法的有效性。     

不确定双圆盘转子系统振动响应分析

采用基于随机矩阵最大熵法的非参数方法对不确定性转子系统进行动力学建模,研究了模型不确定性与参数不确定性对不确定双圆盘转子系统固有频率波动的影响,分析了转子系统振动响应在不同转速范围内对模型不确定性与参数不确定性的敏感度,从而将一般参数建模方法所无法考虑的建模误差考虑在内。结果表明:模型与参数不确定性对系统固有频率波动的影响大小不同,转轴弹性模量变异系数为0.04时分别使1阶固有频率产生了1.19%与3.58%的波动,2阶固有频率产生了1.82%与3.64%的波动;支承刚度变异系数为0.04时分别使1阶固有频率产生了0.01%与6.17%的波动,2阶固有频率产生了0.68%与6.18%的波动。不同转速范围内,转子系统振动响应对两种不确定性的敏感度也不同:在低于120 rad/s与高于430 rad/s的范围内,系统响应对两种不确定性均不敏感;在120～200 rad/s以及270～430 rad/s范围内,模型不确定性比参数不确定性对响应波动的影响大。该研究成果能够为复杂转子系统随机响应的预测提供一定的理论参考。      

共轴刚性旋翼直升机旋翼控制相位角问题分析

利用共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,以XH-59A共轴刚性旋翼直升机为研究对象,分析了旋翼控制相位角对纵向配平特性、需用功率以及上、下旋翼桨毂弯矩的影响。基于分析结果,提出了一种针对共轴刚性旋翼直升机的旋翼控制相位角的配置方法。该配置方法以降低直升机需用功率为目标,并保证上、下旋翼桨毂弯矩和配平特性满足要求。通过该方法能使XH-59A直升机在0~80 m/s的飞行速度范围内满足上、下旋翼最大桨毂弯矩和纵向操纵限幅的要求,并且能最多降低8%的直升机需用功率,为共轴刚性旋翼直升机的设计提供了参考依据。     

多旋翼无人飞行器必要建模因素

近年来多旋翼无人飞行器(UAV)成为了小型无人飞行器发展的热门领域,而学界对于多旋翼飞行器飞行力学建模与飞行力学特性分析的研究还相对较少。针对相关研究需求,基于传统旋翼模型,建立了适用于多旋翼无人飞行器的飞行力学模型,并利用此模型对多旋翼无人飞行器悬停模态特性进行了初步分析,结果显示多旋翼飞行器模态稳定性明显弱于传统直升机,且横向Phugoid模态取代了荷兰滚模态。随后利用弱耦合系统理论与纵向模态简化模型,对多旋翼建模过程中的旋翼旋转自由度(DOF)动态特性、入流模型和旋翼气动力矩的建模必要性进行了研究。分析表明,旋翼旋转自由度的动态特性在飞控增稳条件下对全机特性有着重要影响,入流分布对刚性旋翼的俯仰、滚转气动力矩有着决定性作用,而旋翼气动力矩是决定多旋翼悬停模态的重要因素,这三者在多旋翼建模分析中不能忽略。     

电机定子系统振动模态的研究分析

针对电机定子系统的振动与噪声特性,利用Ansys有限元仿真软件对电机定子系统三维模型进行模态仿真,得到电机定子系统的固有频率与振形,并通过试验对仿真结果进行验证。同时,对电机进行电磁仿真,分析其气隙磁密与电磁力谐波,得到电机内部电磁力各次谐波频率。将电磁力谐波频率与电机固有频率进行对比,确保电磁力谐波不会引起电机定子系统共振。验证了电机结构的合理性,为同类产品的设计优化提供了一定的参考价值。     

全复式定子和转子落料模具的研究

介绍了电机全复式定子冲片和转子圆片一次冲压成型的落料工艺,通过阶梯冲实现定子内外圆、定子槽型、转子内外圆的分离。该工艺关键点在于转子凸凹模,其既是刃口又是卸料板,全部采用模具钢制造。整个冲裁过程仅需一道工序即可完成,生产效率大幅提高,节省了人力,降低了生产成本,提高了定子冲片精度。     

磁轴承基于扩展卡尔曼滤波的改进PID控制算法研究

提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的改进PID控制算法。该算法以传感器测量的转子位移信号为量测量,功率放大器的输出电流为输入量,通过系统状态方程和噪声统计特性估计转子的实际偏心位移,有效解决了信号噪声对控制精度的影响问题。最后,通过仿真和试验,对比验证了算法的有效性。     

连接界面变形对转子动力特性影响的力学模型

针对航空发动机在工作过程中振动量增大且伴随有一定的界面磨损问题,在结构特征分析的基础上建立了三盘转子-支承系统动力学模型,并将接触端面同轴度偏差以及平行度偏差进行参数化描述,基于Lagrange方程得到考虑界面变形的高压刚性转子系统动力学微分方程。结果表明,界面变形将使得刚性转子系统产生附加激振力,同轴度偏差引起的附加激振力幅值与转速平方成正比,仅作用在相应自由度上;平行度偏差引起的附加激振力幅值仅与系统刚度和平行度偏差量有关,与转速无关,且其在支承自由度方向上存在一定分量。      

共轴刚性旋翼的悬停气动性能和流场干扰

建立了一种基于RANS (雷诺平均Navier Stokes)方程的共轴刚性旋翼悬停流场数值模拟方法。使用旋翼亚声速和跨声速悬停实验结果,验证了该方法的准确性。对刚性旋翼XH 59A流场模拟表明:气动特性与飞行实验结果比较吻合,共轴旋翼特性优于同实度单旋翼,具备更高的悬停效率。对比半实度单旋翼气动性能,受下旋翼对流动的抽吸影响,上旋翼性能略有下降;下旋翼性能下降更甚,主要是因为处于上旋翼下洗流中,其有效迎角减小。数值方法获得该旋翼最高悬停效率为67%,总距角为14°,14°。对比研究表明,共轴刚性旋翼较常规共轴旋翼极间距小,悬停性能更高。