直升机旋翼动力学优化浅析

阐述了直升机旋翼动力学优化在国内外研究发展情况。通过对国内外旋翼动力学模型、优化方法及优化策略等方面的对比研究,得出国内在直升机旋翼动力学优化方面与国外研究的差距,为进一步开展相关优化研究指明了方向。

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。

直升机旋翼空气动力学的发展

本文分两大部分 ,即旋翼理论分析的发展 (认识旋翼 )及旋翼桨叶外形的发展 (改造旋翼 )。在第一部分中 ,阐述了旋翼滑流理论、叶素理论、涡流理论 (其中又包括固定尾迹的经典涡流理论、预定尾迹的半经验涡流理论、自由尾迹的现代涡流理论 )和旋翼 CFD方法。在第二部分中 ,讨论了旋翼桨叶的翼型、桨尖形状、扭转角分布等的变化历程。最后 ,作为总结 ,提出了旋翼理论分析和桨叶气动外形的四代发展阶段的划分。

倾转旋翼结构动力学设计技术研究

通过先进气动外形缩比倾转旋翼的动力学设计,对倾转旋翼结构动力学设计中的特殊问题和重点问题形成了系统的研究,并提出了倾转旋翼结构动力学的工程设计准则和设计方法;基于该准则和方法设计的缩比倾转旋翼已用于风洞试验。

直升机旋翼气弹动力学优化策略(Ⅱ)——多目标优化解法研究

在旋翼气弹动力学模型基础上进行了多目标优化问题的描述和分类,定义了多目标优化问题及其解,讨论了多目标优化问题的解法,提出了直升机旋翼气弹动力学多目标优化问题的解法。使用改进的遗传模拟退火算法、加权系数法、全局准则法相结合的混合式解法进行旋翼气弹动力学多目标优化问题的求解。算例结果表明:使用混合法的多目标优化解法设计变量变化平缓;同时设计目标函数的3次/转、4次/转、5次/转谐波振动载荷和桨叶总质量分别比初始设计减少13.4%、31.5%、20.9%和7.36%,优化效果明显。由本文的研究可知,在直升机旋翼气弹动力学多目标优化问题中,使用混合式多目标优化问题解法能使旋翼气弹动力学多目标优化收敛到Pareto最优解,同时可提高多目标优化问题解质量和结果的鲁棒性。

垂直着陆中直升机旋翼动力学行为研究

提出了直升机垂直着陆撞击激起旋翼扰动的动力学模型,为预估粗暴着陆时起落架载荷和旋翼液压阻尼器轴向速度幅值给出了一种数值模拟方法。以弹性轴承旋翼直升机为例,对垂直着陆时直升机机体、起落架、旋翼桨叶及阻尼器的动力响应进行了数值模拟,分析了着陆撞击引起机体和旋翼扰动的力学机理,可知在起落架触地后的第1个振荡周期中,各片桨叶将经历其不同的摆振幅值,并激起旋翼摆振后退型响应。着陆撞击引起桨叶的大扰动,将冲开阻尼器的定压安全活门,严重降低其等效阻尼。随机着陆时,起落架触地速度及过载系数、旋翼挥舞及摆振幅度和阻尼器速度峰值等动态参数由于着陆时机体的姿态角及角速度不同呈现很大的分散性,其分散性与着陆高度有关。

旋翼性能与动力学试验技术的现状及发展

介绍了国内旋翼性能试验与动力学试验技术的进展,对影响旋翼性能试验的一些因素进行初步探讨,并分析了国外旋翼动力学试验的进展,对我国旋翼试验的研究发展具有一定指导意义。

直升机旋翼气弹动力学优化策略(Ⅰ)——灵敏度分析技术研究

基于旋翼气弹动力学模型以及摄动法的灵敏度分析和直接解析的链式规则灵敏度分析相结合技术,推导了直升机旋翼气弹动力学的气弹稳定性、模态频率、自转惯量、桨叶质量、桨叶动应力等参数的灵敏度计算过程。通过算例计算结果表明:使用灵敏度分析方法与直接优化相比,实现动应力减少1.2%,质量减少0.84%,优化时间缩短2.73倍;该灵敏度分析技术对于直升机旋翼气弹动力学优化设计收敛的速度和优化结果效果明显。

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分求得 ,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。

共轴式直升机飞行动力学仿真数学模型研究

在讨论共轴双旋翼气动干扰模型的基础上 ,建立了一种共轴式直升机飞行动力学仿真数学模型。以某型共轴式直升机为样例机 ,在定直水平飞行条件下进行配平计算 ,并与国外计算结果作了对比分析 ,两者基本一致。给出了共轴式直升机在不同操纵输入下的动态响应数值模拟结果。仿真计算表明 。

ACF旋翼主动控制技术的现状与发展

直升机的振动抑制一直是直升机设计和研究的重难点,围绕直升机主动控制技术中的主动控制后缘襟翼(Actively Controlled Flap,ACF)技术介绍了相对于其他方法的优点。从内外2个部分梳理归纳了ACF的发展历程,由内主要总结了几种国外设计验证的不同构型的压电驱动器,向外则归纳了几种常用的外环减振控制算法发展过程,通过对比分析论证了不同算法的优点和缺点。最后结合ACF旋翼主动控制技术现状与发展脉络阐述分析了ACF振动控制方法的技术潜力及进一步发展过程中亟待解决的几个关键点。

智能旋翼H_(∞)与CTHHC减振控制算法对比研究

主动控制是直升机旋翼振动控制技术未来发展的主要方向之一。文章针对国内外常用的桨叶后缘襟翼主动控制技术CTHHC和H_(∞)两种控制算法,对比验证各自的优缺点;以旋翼系统的幅频响应特性数据为基础,识别出旋翼系统的参数化模型,并确定针对该控制对象模型的两种不同算法的适合的控制参数。对模型计算得到的桨毂载荷数据进行仿真验证,通过对比分析论证了各算法的优点和缺点。最后结合仿真验证的结果为未来旋翼动力学主动控制试验算法的选择与控制参数调整提供支撑。

直升机旋翼的建模与仿真分析

旋翼叶轮式空气动力学的工程应用非常广泛。本文以直升机旋翼为研究对象,参照直升机旋翼设计基本理论,研究设计某小型直升机的旋翼半径、桨叶数目、桨叶宽度和桨叶各个剖面安装角度等。基于CFD原理利用相关软件对小型直升机在不同飞行状态下的旋翼流场进行数值仿真模拟计算,得到其气动性能状态。

系留多旋翼无人机模拟训练系统设计与实现

为满足操作手对系留多旋翼无人机及其搭载任务载荷操作的模拟训练需求,对系留多旋翼无人机模拟训练系统进行设计与实现。该系统由飞行模拟计算机系统、便携式操控终端模拟器和教官导控台构成,提出基于系留线缆的系留多旋翼无人机及其空气动力学、飞行场景、想定战场环境及场景目标等模拟仿真模型。从系统架构优化、通信链路协议、实装设备原位替代等方面进行设计实现。结果表明:该系统结构完整、安全性好,配置精简、灵活、方便,成本低,适用于野战训练。

旋翼桨叶结构载荷计算方法比较研究

基于有限转角假设,建立了刚柔耦合旋翼动力学模型。该模型考虑了刚体转动与弹性变形之间的耦合效应,相较于基于小转角假设的传统有限元模型具有明显的优势。气动力以广义力形式与桨叶刚体转动及弹性变形耦合组建方程。在方程求解的单步上,分别采用力积分法、反力法以及曲率法计算桨叶剖面结构振动载荷。以BO105模型桨叶及SA349/2小铃羊直升机为仿真对象,比较研究了这三种载荷计算方法的预测精度与适用范围。对于不考虑气动力的纯结构振动载荷,三种计算方法具有相同的精度。在气弹瞬态计算中,力积分法对桨根载荷的预测精度不足。曲率法与反力法在桨叶有限元节点处得到了相近的结果。反力法预测精度取决于有限元建模精度,且只对节点处载荷有效。由于曲率法只计入弹性桨叶的弯曲曲率,该方法需要更高阶次的形函数以满足自由度二阶导数的连续性。此外,为加速收敛及减少累积误差,本文开发了基于外推法的数值积分算法。

基于几何精确桨叶模型的旋翼刚柔耦合建模

建立一种适合于多种直升机桨毂构型的高精度旋翼结构动力学模型。将几何精确桨叶模型集成到传统的旋翼刚柔耦合动力学模型中去,使得新模型既适用于全铰接式旋翼,又能对先进桨毂构型(无铰式或无轴承)桨叶精确建模。建模过程中不进行阶次截断,不作小量假设。采用有限变形下的Green应变表达式及几何精确的弹性变形运动几何学关系式,推导桨叶应变能、动能以及外载荷虚功。桨叶根部铰约束处的转角分别以三个独立刚体自由度与桨叶弹性变形自由度耦合,依据Hamilton作用量原理建立旋翼刚柔耦合动力学方程。大变形梁与铰接式旋翼桨叶算例验证了模型的有效性与高精度。

旋翼/机身耦合问题的CFD/CSD分析方法

提出了一种高精度的直升机旋翼/机身耦合系统振动响应分析方法。通过非定常Euler/N-S方程与准定常气动力相结合的方法来进行弹性旋翼流场分析,利用CSD软件建立精细的机身三维结构有限元模型,用15自由度非线性中等变形梁单元来建立旋翼动力学模型,最后采用带配平的松耦合迭代方法求解系统响应。以某小型直升机为例,分析了悬停状态下机身典型位置的振动响应,计算结果与实验值吻合良好。研究了前飞速度和机身弹性运动对机身振动水平的影响,结果表明,在小速度和大速度前飞时,机身振动响应随前飞速度的增加而增大;在中等速度段,机体振动水平则基本保持不变。

斜铰旋翼操纵力矩生成研究

为了对无人旋翼飞行器使用的斜铰旋翼进行深入研究,提出基于旋翼转角反馈的转速调节规律和基于滞后角的操纵力矩方向控制方法,仿真结果表明斜铰旋翼按该转速调节规律运行能够形成可自由调节的操纵力矩。考虑斜铰旋翼在实际应用中可能出现的转速变化,将其作为仿真输入,仿真结果表明斜铰旋翼能够快速响应转速变化,且当前工作状态对于斜铰旋翼后续运行影响较小,能够满足使用需求。

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。