旋翼柔性多體系統(tǒng)氣動彈性研究.pdf

1、柔性多體系統(tǒng)動力學方法在旋翼氣彈動力學分析中的應用是當前國內(nèi)外的一個研究熱點，為能建立旋翼多體系統(tǒng)氣彈動力學模型，不論是柔性多體系統(tǒng)動力學方法還是旋翼動力學和氣動建模都需要作相應的改進。
　　本文開展了旋翼多體系統(tǒng)動力學建模方法研究，發(fā)展了可用于氣彈分析的旋翼多體系統(tǒng)氣彈動力學分析方法與程序，對分析方法各部分的準確性進行了驗證，并將旋翼多體系統(tǒng)動力學模型應用于旋翼氣彈分析中。
　　本文首先建立了一種能夠在多體系統(tǒng)動力學模型中

2、應用，且適合于氣彈分析的高精度槳葉動力學模型，并對模型的準確性和計算精度進行了驗證。模型修正了槳葉預扭引起的剖面坐標基矢量非正交對應變能的影響，采用了準確的變形運動非線性幾何關(guān)系，應變、動能以隱式表達并可采用位移有限元離散。為便于在多體系統(tǒng)動力學模型中與其它構(gòu)件組合，通過代入數(shù)值后逐級展開提取了質(zhì)量矩陣。由于槳葉與其它構(gòu)件對接時對接面處約束力做功的計算過程和氣動載荷做功一致，將約束力直接作為Lagrange乘子，最終得到含有對接面約束力

3、的槳葉構(gòu)件動力學方程。此外在高精度槳葉動力學模型的基礎(chǔ)上對各環(huán)節(jié)的表達式進行精度的截斷，得到了一種計算量較小，在小變形等情況下也足夠準確的二階精度槳葉動力學模型，用于模擬變距搖臂等彈性變形較小的構(gòu)件。通過對模型槳葉加載后非線性變形的計算，變形狀態(tài)下模型槳葉的頻率計算，復合材料異形槳葉固有模態(tài)的計算與試驗測試，驗證了本文建立的高精度槳葉動力學模型的準確性。
　　通過合并構(gòu)件動力學方程并以約束方程體現(xiàn)構(gòu)件之間的連接關(guān)系，建立旋翼多體系

4、統(tǒng)動力學控制方程，并將旋翼氣動載荷處理為非約束力元，以非完整約束的形式并入控制方程。通過建立鉸鏈動力學方程和含鉸鏈構(gòu)件動力學方程，使識別非獨立自由度的過程簡化，約束方程的列寫形式統(tǒng)一。旋翼連續(xù)旋轉(zhuǎn)造成角位移約束方程求解中出現(xiàn)奇點，選擇在旋轉(zhuǎn)坐標系中建立以Rodriguez參數(shù)表示的角位移約束方程，相對旋轉(zhuǎn)坐標系的轉(zhuǎn)動始終為小量，從而避免了奇點的出現(xiàn)。旋翼氣動力的計算采用非定常與動態(tài)失速模型和自由尾跡模型，通過對分布載荷做功表達式的分析，

5、將旋翼氣動力轉(zhuǎn)換為一種非約束力元，在多體系統(tǒng)動力學模型中體現(xiàn)為一組非完整約束，從而使氣動力的計算過程獨立于槳葉構(gòu)件的動力學建模，便于氣動力計算中根據(jù)自身模型的需求設(shè)定計算步長和求解格式。
　　旋翼多體系統(tǒng)動力學控制方程以廣義坐標分離法進行縮并，得到只含有獨立自由度的非線性剛性微分方程，發(fā)展了一套適合于此類方程直接積分求解的局部間斷有限元積分方法。方程縮并中加入了約束協(xié)調(diào)模塊，解決了約束違約問題。研究了局部間斷有限元積分方法用于剛性

6、方程積分計算的穩(wěn)定性、阻尼和周期延遲等問題，并在積分方法中嵌入了Newton-Broyden組合法，解決了隱式求解格式中反復求取切線矩陣及其逆矩陣造成計算量過大的問題，顯著提高了計算效率的同時，尤其適合用于旋翼多體系統(tǒng)動力學控制方程這種難以得到關(guān)于狀態(tài)量Jacobi矩陣的方程求解瞬態(tài)響應。
　　針對旋翼氣彈動力學分析的需求，建立旋翼動力學方程與氣動力方程耦合求解的瞬態(tài)響應以及周期穩(wěn)態(tài)響應計算流程，研究了氣彈動力學瞬態(tài)響應分析法中，