直升機復(fù)合材料槳葉動力學(xué)減振優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、直升機突出的振動問題使其無法像噴氣式客機一樣安靜舒適的飛行，如何降低直升機的振動一直是直升機設(shè)計的難點，減振設(shè)計是國內(nèi)外直升機技術(shù)研究的熱點領(lǐng)域之一，旋翼是直升機的核心部件，也是直升機的主要振源，本文開展旋翼動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計方法研究，探索從源頭上降低旋翼振動載荷的設(shè)計方法，具有重要的科學(xué)理論意義和工程應(yīng)用價值。
　　旋翼的槳葉細長而柔軟，在復(fù)雜的氣動環(huán)境下，產(chǎn)生揮舞—擺振—扭轉(zhuǎn)以及拉伸等自由度之間氣動/彈性的強耦合，并且結(jié)構(gòu)與載荷都

2、具有非線性特征，這要求結(jié)構(gòu)模型能夠準確的反映幾何非線性變形和自由度間的耦合特性。飛行實測表明，直升機在低速和高速前飛時振動突出，這兩種狀態(tài)對應(yīng)著不同的氣動特征，低速狀態(tài)下，旋翼的氣動模型需要能夠突出槳渦干擾的入流模型；高速飛行時，氣動模型需要引入非定常亞音速的氣流壓縮效應(yīng)，而整個飛行包線內(nèi)，始終需要考慮槳葉的非定常氣動載荷和部分位置上的動態(tài)失速，這些因素都是氣動載荷高頻諧波的來源。
　　為了研究旋翼槳葉減振優(yōu)化設(shè)計方法，建立高效而

3、可靠的旋翼動力學(xué)綜合分析模型是進行優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵，為了平衡氣動/彈性分析模型的計算精度和計算效率，本文建立了基于中等變形梁的顯式非線性有限元結(jié)構(gòu)模型，模型充分考慮了槳葉各自由度之間的結(jié)構(gòu)耦合，并具有至少二階幾何非線性精度，算例表明考慮了非線性影響后結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算精度有明顯提升；本文改進了非定常動態(tài)失速模型，提高了原模型在來流小于0.3馬赫數(shù)時的氣動載荷相位和峰值的預(yù)測精度；旋翼入流計算采用Johnson自由尾跡模型，獲得了低速飛行時旋翼槳

4、渦干擾特性?；谝陨戏椒ń⒘司C合氣動/彈性分析模型，算例結(jié)果與飛行實測對比表明，氣動力和結(jié)構(gòu)載荷的計算精度不低于國外同類軟件。為了優(yōu)化計算效率，本文提出預(yù)定載荷方法，從配平后的氣動/彈性模型中導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)預(yù)定氣動載荷，作為非線性動力學(xué)模型的外載荷，避免了氣動/彈性緊耦合求解過程的耗時問題。算例表明，基于預(yù)定載荷的動力學(xué)分析模型計算精度仍然在可接受范圍內(nèi)，有效地捕捉了載荷諧波相位和幅值特征。
　　非定常氣動力和彈性結(jié)構(gòu)的綜合建模增加了

5、旋翼動力學(xué)方程的求解難度，本文基于小波方法，提出了二階微分方程的小波時間有限元求解算法，推導(dǎo)了Daubechies小波時間單元，利用小波多尺度和多分辨率的特性，提高了旋翼氣動/彈性動力學(xué)方程的求解精度和求解效率，并通過SA349/2算例和飛行實測數(shù)據(jù)進行了槳葉剖面載荷計算對比分析，結(jié)果表明本文建立的旋翼動力學(xué)模型動載荷計算精度與飛行載荷測試數(shù)據(jù)吻合較好，計算效率較高，為旋翼氣動/彈性動力學(xué)響應(yīng)求解提供了新的方法。
　　針對旋翼槳葉

6、的優(yōu)化設(shè)計需求，建立了基于C型梁的典型復(fù)合材料槳葉高仿真度參數(shù)化模型，該模型能夠反映槳葉工程設(shè)計，論文提出了高效的背景網(wǎng)格離散算法，并采用有限元方法獲取了槳葉剖面特性分布，形成了槳葉氣動/彈性動力學(xué)綜合模型的輸入?yún)?shù)。論文利用該參數(shù)化模型對“海豚”直升機復(fù)合材料槳葉進行建模，準確的表達了“海豚”直升機槳葉的結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過剖面特性計算，獲得了與實驗值一致的槳葉特性參數(shù)分布，從而驗證了參數(shù)化設(shè)計模型的可靠性。
　　最終依據(jù)參數(shù)化設(shè)計模型

7、和旋翼動力學(xué)減振優(yōu)化背景，給出了槳葉具體的優(yōu)化設(shè)計變量,依據(jù)槳葉模態(tài)和工程約束定義約束函數(shù)，并針對特定動力學(xué)問題提出不同的目標函數(shù)。采用均勻?qū)嶒炘O(shè)計方法對設(shè)計參數(shù)的初始分布進行預(yù)處理，使初始設(shè)計參數(shù)更合理的分布在設(shè)計空間內(nèi)，提高獲得全局最優(yōu)解的可能性，利用改進的多種群遺傳算法，將基于預(yù)定載荷的旋翼動力學(xué)分析模型作為優(yōu)化核心模型，氣動/彈性耦合模型作為外層優(yōu)化模型進行氣動載荷的修正，該方法提高了旋翼動力學(xué)減振優(yōu)化的計算效率和全局尋優(yōu)的能力