Composite Rotor Blade Design Optimization for Vibration Reduction with Aeroelastic Constraints

The paper presents an analytical study of the helicopter rotor vibratory loadreduction design optimization with aeroelastic stability constraints. The composite rotor blade ismodeled by beam type finite elements, and warping deformation is taken into consideration for2-dimension analysis, while the one-dimension nonlinear differential equations of blade motion areformulated via Hamilton's principle. The rotor hub vibratory loads is chosen as the objectivefunction, while rotor blade section construction parameter, composite material ply structure andblade tip swept angle as the design variables, and au-torotation inertia, natural frequency andaeroelastic stability as the constraints. A 3-bladed rotor is designed, as an example, based on thevibratory hub load reduction optimization process with swept tip angle and composite material. Thecalculating results show a 24. 9 percent-33 percent reduction of 3/rev hub loads in comparison withthe base-line rotor.

Optimizing control of a two-span rotor system with magnetorheological fluid dampers

A control system aims at vibration reduction in a two-span rotor system with two shear mode magnetorheological （MRF） dampers is designed. A finite element model of the MRF damper- rotor system is built and used to analyze the rotor vibration characteristics. Based on Hooke and Jeeves algorithm and the numerical simulation analysis, an optimal appropriate controller is proposed and designed. Experimental results show that rotor vibration caused by unbalance is well controlled （ first critical speed region 37% , second critical speed region 42% ）. To reflect advantages of optimi- zing strategy presented and validate the intelligent optimization control technology, detailed experi- ments were developed on a two-span rotor-vibration-control platform. The influence on accuracy, rapidity and stability of optimizing control for rotor vibration are analyzed. It provides a powerful technical support for the extension and application in target and control for shafting vibration.

直升机旋翼桨叶动力学/强度多学科优化设计

为解决板梁构型桨叶设计方案结构超重和疲劳寿命不足的问题,以旋翼桨叶剖面特性展向分布为设计变量,以桨叶频率配置、气弹稳定性和转动惯量为设计约束,组织多学科优化设计,实现减小桨叶结构重量,提高桨叶疲劳寿命并降低桨叶剖面动载荷的设计目标。取桨叶动载荷最大的高速前飞状态为设计点,采用文中构建的方法,成功实现了该桨叶的调频/减重/减振/提高疲劳寿命优化设计,优化后桨叶结构减重近10%,桨叶控制剖面的动应变降到许用值以下,满足了重量和疲劳寿命设计指标。

直升机旋翼桨叶气弹优化减振设计方法

从振源着手通过设计参数的最优选择设计直升机旋翼桨叶，使传递到机身的交变载荷最小达到降低振动水平的目的是旋翼桨叶设计思想的进步。本文在简单概述该方法的基础上，以某４桨摆振柔软的无铰复合材料桨叶为研究对象，将其大梁模拟为一单闭室复合材料盒形梁，研究了通过铺层角的优化选择，降低４次／转的桨毂交变力与力矩的情况。数值算例表明方法效果良好。

直升机减振的旋翼桨叶优化设计研究综述

围绕降低直升机振动水平的旋翼桨叶减振优化设计 ,对国内外这方面研究进展情况作了综述 ;着重讨论了降低旋翼激振力减振优化设计分析中的几个主要问题 ,包括桨叶减振优化设计途径与目标 ,桨叶优化设计中的分析模型 ,优化设计方法及灵敏度分析技术 ,以及桨叶优化减振设计研究的最新发展方向和需进一步研究的问题等 .

复合材料旋翼桨叶的结构优化与振动控制

本文总结了复合材料旋翼浆叶结构动力优化设计的研究工作。运用有限元分析和数值优化技术,优化浆叶的质量和刚度布置,改善浆叶结构固有频率分布和动力特性,达到浆叶设计中的调频、减振和降低重量的目的,部分地实现了旋翼浆叶的计算机辅助设计。实例计算了“BO—105”和海豚两种复合材料旋翼浆叶。

无轴承旋翼气弹动力学多目标减振优化

提出了无轴承旋翼柔性梁及扭管处的等效匹配处理方法,建立了无轴承旋翼的优化设计模型,采用混合法的灵敏度分析技术、Kriging的代理模型及改进遗传模拟退火算法的优化策略对某型无轴承旋翼进行了减振的气弹动力学多目标优化。结果表明:其桨毂谐波振动载荷与优化前相比,径向力、横向力、垂直力分别降低了24.2%、19.5%、15.8%;滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩分别降低了21.4%、20.8%、20.9%;3/转变距拉杆拉力、4/转变距拉杆拉力、5/转变距拉杆拉力分别降低了11.6%、18.4%、8.1%。表明本文方法减振效果明显。

基于桨叶模态修型的直升机减振优化

基于Hamilton原理推导了模态修型减振优化的有限元动力学模型,通过修改桨叶的剖面刚度和线密度来改变结构的动力学模态。以最小振动载荷为目标函数,以桨叶剖面刚度及质量为设计变量,以桨叶的频率、自转惯量、质量及模态修型参数等为约束条件,进行了减振优化。算例表明:在约束条件都满足的情况下,优化后,3/转的桨根剪力减小了55.4%,4/转的桨根剪力减小了66.5%,5/转的桨根剪力减小了53.4%,优化效果明显。

基于遗传算法和NURBS曲线的开槽锯片减振优化设计

基体开槽是圆锯片减振降噪的有效方法,结合非均匀有理B样条曲线生成原理,提出一种新的开槽几何结构—NURBS样条曲线槽,并建立了一种基于遗传算法的锯片基体开NURBS曲线槽减振降噪优化方法,以单点激励下的锯片基体测点的谐频响应最小作为优化目标。优化设计包括3个主要步骤:基于NURBS样条曲线构造锯片基体的开槽几何结构;基于有限元分析计算谐频响应;基于遗传算法的全局优化。计算结果表明:与传统的开径向弧向槽锯片相比,经遗传算法优化后的开NURBS曲线槽锯片振动响应幅度明显降低,为低噪声锯片的创新设计提供了新思路和开槽新方法。

低振动旋翼桨尖代理优化设计

为探索直升机低振动旋翼的工程设计方法,将代理优化与旋翼气弹耦合分析相结合,开展了旋翼桨尖几何外形设计,推导了非平直桨叶气弹动力学方程,训练了旋翼功率、模态阻尼以及振动载荷预测的Kriging代理模型。以气动性能与气弹稳定性为约束,以桨毂振动载荷最小化为目标,采用自适应加点准则设计了优化流程。以某旋翼为例,计算了其气动性能与振动载荷,通过与试验结果对比,验证了气弹模型的有效性。对该基准旋翼0.9R-1.0R(R为旋翼半径)桨叶段的后掠、下反以及扭转分布进行了优化设计,结果表明,基于样本点最小间距的自适应加点准则能够实现目标函数与约束函数代理精度的同步提升。通过优化结果可行性分析,得到了一种"双后掠+上、下反"桨尖构型,旋翼桨毂振动载荷降低了25%。

转子叶片气弹稳定性与强迫响应分析

针对由叶轮机械转子叶片流致振动引起的叶片高循环疲劳失效的突出问题,采用数值模拟方法对叶片流致振动特性进行预测分析。常见的流致振动问题包括气弹稳定性和强迫响应,分别以压气机和高压涡轮转子叶片为例给出了气弹稳定性和强迫振动响应的分析方法及其流程。对于压气机叶片,采用能量法和特征值法进行了气弹稳定性计算。结果表明:气弹稳定性结果相互吻合,在高阶模态下的气动阻尼比在低阶模态下的更小,根据振型特征确定危险点位于叶尖近前缘和近尾缘部位,在该部位可能导致叶片掉角, 对于高压涡轮叶片,分析了其强迫振动响应特征。结果表明:叶片非定常气动激励主要来源于上游导叶,在设计状态下其频率距离转子叶片第5阶模态频率较近,并对危险模态阶次的共振应力进行分析,在0.14%阻尼下振动应力最大可达134 MPa。

主动扭转旋翼振动载荷减缓控制优化

为降低旋翼前飞状态的桨毂振动载荷水平,应用主动扭转旋翼技术,开展最优控制方案研究。建立基于中等变形梁理论的旋翼气动弹性动力学模型,以预测稳态飞行的桨毂振动载荷。使用UH-60A直升机旋翼算例验证所建模型准确性并作为研究基准。通过谐波相位及幅值变参分析,研究单谐波扭转控制对振动载荷的影响。构建基于遗传算法的主动扭转旋翼控制参数优化框架,开展展向一致多谐波扭转控制参数优化与分段多谐波扭转控制方案优化。结果表明:优化的多谐波扭转控制相比单谐波主动扭转控制可起到更好的桨毂振动载荷减缓效果。而以桨叶中点为分段点的最优2段扭转控制方案,通过对内外段桨叶施加不同的扭转控制规律,进一步降低了六方向的振动载荷水平。

采用转子叶片优化排序技术降低涡喷发动机的振动

提出了一种利用优化叶片在转子上的初始装配排列顺序减小转子单级初始不平衡量 ,降低涡轮喷气发动机振动的技术 ,并在此基础上研制了具有数据采集功能 ,能迅速完成叶片优化排序的基于单片机的智能仪器———发动机转子叶片微机称重排序仪。

基于拓扑优化的叶盘压电阻尼器性能研究

针对压电分支阻尼技术在航空发动机叶盘结构振动抑制问题中的应用,提出了一种拓扑优化方法,可给出限定用量的压电材料在轮盘上的最佳位置,以提升压电分支阻尼的上限。在轮盘上布置压电材料还可防止对叶片通道内流场的影响,避免降低流体效率。首先,论述了该拓扑优化方法的原理,推导了模态机电耦合系数这一核心参数的计算公式及其与最佳阻尼比、模态应变场的关系。其次,建立了基于模态应变场的压电材料分布拓扑优化方法,可用于任意有限元模型。最后,将该优化方法应用于一个航空发动机压气机叶盘结构模型,分别针对单一和多阶模态进行了压电材料在轮盘上分布的拓扑优化,研究这种铺设方式对各典型模态(轮盘主导、叶片主导、耦合振动)的振动抑制效果。结果表明,在仅采用占轮盘质量5%的压电材料的情况下,优化后的压电阻尼器最多可以为轮盘振动主导模态及叶片-轮盘耦合振动模态提供约13%的模态阻尼比,为叶片主导模态提供的模态阻尼比集中在2%~4%。

降低旋翼激振力的动力学优化设计研究综述

为了解决直升机的振动问题,人们一直在研究各种减振技术。如何通过降低旋翼的激振力实现减振,是国内外这方面研究的一大课题。本文即对为降低旋翼激振力的减振优化设计分析的途径及其指针、桨叶设计分析模型、优化设计方法及灵敏度分析技术,以及减振研究的最新发展方向和需进一步研究的问题等方面进行分析和讨论。

SA349/2旋翼气动弹性稳定性的动力学多目标优化

基于有限元法建立了旋翼桨叶的气动弹性动力学分析模型,提出在气动弹性稳定性,频率分布及自转惯量等约束条件下的最小质量,最小应力多目标优化。使用链式规则的灵敏度计算方法进行目标函数及约束函数的灵敏度分析,使用近似模型的响应面模型及模拟退火算法对模型进行优化计算。最后通过对实例SA349/2旋翼桨叶进行优化对比,实现了在多约束条件都满足的情况下,自转惯量提高到原来的1.05倍,桨叶总质量减少6.0%～7.2%,应力比初始模型减少5.9%～7.1%的多目标优化结果,优化性能良好。

非均匀静子布局对转子叶片振动的影响

采用时域上的流固耦合模拟方法分析了非均匀静子布局对下游转子叶片表面气流激振力及转子叶片动力响应水平的影响。主要分析了两扇区不同气流角和不同叶片栅距这两种非均匀布局类型。结果表明,转子叶片的振动特性主要体现为上游静子尾迹激励下的强迫响应,在上游非均匀静子布局下,其由单频高幅值振动转变为多频低幅值振动;不同栅距类型更利于降低叶片振动响应水平,两扇区栅距变化为4%~5%时最佳。在此模型里方案四在静子通过频率处应力幅值降低28%,为最优布局。

基于变参数环板等效叶片组的叶盘模型耦合振动分析方法

转子系统常见于旋转机械装置中,在航空、电力、化工等工业和民用的诸多行业中发挥着重要作用.转子系统一般由轴和多级叶轮组成,存在强度、疲劳、振动和噪声等一系列问题,亟待通过优化设计等手段提高产品的各项性能.由于每级叶轮都含有由多条叶片构成的叶片组,因此在应用有限元等方法分析时,即便利用了回转周期的性质,转子系统的整体自由度数目依然庞大,优化设计的计算效率有待提高.为了提高转子系统分析的效率,可将根据气动性能要求设计的单级叶盘视为状态已经确定的子系统,在具备足够计算精度的前提下对其有限元模型进行缩聚或简化,以降低整体系统的自由度.文章介绍叶片组模型的等效建模方法,以固有振动特性相近为等效准则,将有限元模型中周向环绕的叶片组等效为变参数圆柱型正交各向异性环形板,并通过理论推导和计算得到了环板模型的几何与材料等物理参数.以航空发动机低压涡轮叶盘模型为例,实现了叶片组的模型等效过程.结果表明,等效方法可在保证精度的前提下大大降低模型的自由度数目,为后续整体转子系统的优化设计提供了高效的叶盘建模方法.

独立桨叶变距对旋翼振动载荷影响规律分析

独立桨叶控制技术(Individual blade control,IBC)能够改善旋翼气动环境,降低桨毂振动载荷。本文采用Leishman-Beddoes动态失速模型和动态入流模型计算旋翼非定常气流下的气动响应;通过动力学软件ADAMS建立旋翼气弹动力学模型计算桨毂载荷;在周期变距基础上施加二阶和三阶谐波变距进行控制仿真,研究独立桨叶高阶谐波变距对桨毂载荷减振作用的规律。仿真结果表明,通过改变相应变距谐波的幅值和相位,能够使得振动水平大幅降低并达到最优。

一种基于模态的叶片缘板阻尼器减振设计方法

为了有效解决航空发动机中叶片缘板阻尼器的减振设计问题,在无需开展复杂耗时的非线性响应分析的情况下,提出了一种基于模态的叶片缘板阻尼器减振设计方法。采用半圆形缘板阻尼器的结构形式,根据归一化等效理论,将带有缘板阻尼器的转子叶片简化为以集总参数表示的单自由度模型。引入局部微滑动模型及刚度比例因子,给出了不同干摩擦模型的非线性摩擦力求解方程。针对给定的转子叶片许用振动应力,计算缘板阻尼器的阻尼比特性曲线,通过对比能量法与谐波平衡法的计算结果,验证了所提出方法的可行性及准确性,并获得了阻尼比随相关设计参数的变化规律。对于文中示例,给定许用振动应力幅值为50MPa,最佳缘板阻尼器质量约为7.34g,其峰值阻尼比约为0.33%。