伽辽金有限元素法对旋翼气弹稳定性的应用

采用伽辽金加权余数有限元素法发展了一种悬停状态下无铰旋翼桨叶气弹稳定性的分析方法。分析模型包括预锥角、下垂角、预掠角、总距角、桨根预安装角、桨叶预扭角、变距轴偏置、根部外伸量和操纵线系刚度等结构参数，对无铰旋翼桨叶气弹稳定性研究有普遍适用意义。试验证明该理论可行并能用于研究无铰旋翼结构参数对桨叶气弹稳定性的影响，也能用于直升机旋翼的型号设计。     

基于MRF模型的旋翼桨叶气动特性分析与试验

多旋翼飞行器主要由旋翼桨叶为其提供拉力。在旋翼桨叶设计阶段,能准确地预测出桨叶的效率、拉力、功率和扭矩等性能参数是十分必要的。本文采用基于MRF模型的CFD数值分析,对直径为735mm、梢部桨叶角为7°、根部桨距角为22°的木质旋翼桨叶进行气动特性分析。在西北工业大学NF-3风洞的三元试验段测量了风速为零时该旋翼桨叶的气动性能数据,包括:拉力、扭矩、功率、拉力功率比。试验结果与基于MRF模型的数值模拟方法结果有较好的一致性,证明了本文采用基于MRF模型的CFD数值模拟方法研究桨叶气动特性的正确性和实用性。     

大变形复合材料柔性梁静,动特性的试验研究

本文对两种铺层的复合材料柔性梁进行了静、动特性的试验研究，重点研究了挠度、结构耦合、梁的根部安装角等对变形、固有频率的影响。得出的结论有助于直升机旋翼桨叶的设计和发展，并且验证了大挠度复合材料柔性梁的分析模型     

粗纤维压电复合材料(MFC)对旋翼桨叶模型扭转控制的实验及数值研究

对直升机旋翼桨叶进行主动扭转控制是直升机减振主动控制技术中的有效方法之一.本文采用粗纤维压电复合材料(MFC)对旋翼模型进行了扭转控制的实验研究,并建立该结构的有限元模型,将数值结果与实验结果进行了对比分析.实验中,我们采用预扭的悬臂梁模拟旋翼桨叶,在其上表面贴有MFC压电片进行作动.测量得到了不同作动电压下结构的扭转变形,与数值结果进行对比,两者具有很好的一致性.实验及数值结果表明,随着作动电压的增大,结构的扭转角呈线性增加;MFC材料各向异性系数增大,梁的扭转角亦相应增加,采用MFC材料对旋翼进行扭转控制是行之有效的.     

复合环境下直升机旋翼动力特性分析

考虑直升机旋翼旋转时声场、应力刚化、几何大变形等复合运行环境,对多种影响因素下的旋翼动力特性进行研究。通过实验测试数据建立了直升机旋翼结构的动力有限元模型,对旋翼在静止、应力刚化影响下的动力特性进行了分析;建立旋翼声振耦合动力学模型,考虑外声场和旋翼几何非线性影响因素,深入研究旋翼动力特性的变化规律,分析了其内在机理。研究分析发现:考虑声场影响后结构前三阶的固有频率误差分别减小了0.46%、0.82%、0.45%,更接近实验值,旋翼桨叶的振幅峰值明显降低;应力刚化对旋翼模态影响较大,随着其转速的增加固有频率呈二次曲线上升趋势;几何非线性使旋翼的共振频率值略微增大、振幅极值减小。     

共轴双旋翼桨叶结构载荷试飞研究

从共轴式直升机双旋翼系统的实际结构布局出发,建立上、下旋翼桨叶载荷校准试验力学模型,选择非翼型的桨叶根部段作为桨叶测量剖面进行应变桥路设计,通过单向加载法的桨叶载荷校准试验获得上、下旋翼桨叶载荷方程。提出一种共轴双旋翼载荷测量方案,并据此研制基于小遥测应变测量技术的机载测试系统应用于外场试飞测试。真实大气环境下飞行实测的共轴双旋翼桨叶挥舞弯矩的分析表明:上、下桨叶的挥舞弯矩随时间呈现周期性变化,并且出现正、负脉冲对应现象;平飞状态上、下桨叶的挥舞弯矩相差不大,而悬停状态差别明显;对下旋翼桨叶挥舞弯矩交变量要予以特别关注。文中使用的小遥测应变测量技术已经在某型共轴式直升机飞行试验中成功应用,所测量的双旋翼桨叶结构载荷对共轴式直升机研究工作意义重大。     

直升机旋翼液压阻尼器的动载荷分析

针对直升机旋翼液压阻尼器的力-速度非线性特性以及阻尼器与桨叶的变距、挥舞、摆振运动存在几何耦合的特点,提出了一种预估液压阻尼器飞行动载荷的计算模型。针对直升机悬停、巡航、大速度、定常转弯这几种典型的飞行状态,计算得到了液压阻尼器轴向速度和动载荷随桨叶方位角的变化曲线,分析了阻尼器特性对其飞行载荷的影响。结果表明:在四种典型的定常飞行条件下,阻尼器的轴向速度幅值均大大超过了其定压活门的开启速度,实际阻尼器的飞行动载荷幅值比设计值高38.1%~49.5%。这是由实际飞行中定压活门弹簧的预压缩量增加,使定压活门的开启压力提高所导致的。此种情况会对旋翼系统的结构强度和疲劳寿命带来不利影响,为降低其动载荷,需要改进定压活门弹簧预紧机构的设计,使其力-速度特性满足设计指标。     

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。     

基于运动嵌套网格的前飞旋翼桨叶气动干扰数值模拟

采用运动嵌套网格和求解Navier-Stokes方程的方法,数值模拟了前飞状态的旋翼流场,结果同试验数据吻合得很好;在此基础上,分别对单双桨叶旋翼在两种桨距情况下的前飞流场,进行了对比计算,模拟了各种因素对旋翼桨叶间气动干扰作用的影响,并对其机理进行了探讨,得到一些与工程实际吻合的现象和结论.     

一种复合材料旋翼桨叶结构大变形分析方法的改进及验证

提出了一种适用于直升机旋翼复合材料桨叶大变形分析的改进方法。将旋翼桨叶变形分析分解为一维非线性分析和二维剖面特性分析,并考虑横向剪切、翘曲对剖面刚度及弹性耦合的影响;为使方法适用于旋翼气动弹性分析,将应变能中的广义应变用参考轴线处的弹性运动表示,保留所有非线性项,推导出计算复合材料桨叶大变形的公式;采用有限元法处理方程,对梁结构进行了分析,并将大变形状态下的位移计算结果与Princeton梁实验值、Minguet复合材料梁实验值以及中等变形梁理论计算结果进行了比较,验证了大变形状态下本文计算方法的正确性;此外与中等变形梁模型计算结果的对比,验证了本文方法在计算精度上的提高。     

Balancing a Rotor with Two Coupled Perfectly Rigid Bodies

The steady motions of a vertical rotor balanced by two coupled perfectly rigid bodies (PRBs) are analyzed for stability. The rotor executes plane-parallel motions. The PRBs can rotate together about the rotor axis and about its transverse axes through equal angles but in opposite directions. It is established that when the mass of the PRBs is much less than that of the rotor and the rotor spins with a superresonant speed, only the basic steady motions, which are those of the best-balanced rotor, are asymptotically stable.     

Drop Dynamics of a High-Speed Unbalanced Rotor in Active Magnetic Bearing Machinery*

The transient nonlinear dynamics of a high-speed unbalanced rigid rotor dropping onto rigid sliding bearings is investigated. The equations of motion are formulated and solved numerically to examine dynamics of the rotor for different regimes of the touchdown process. The contribution of parameters such as unbalance, air gap, coefficient of friction, and coefficient of restitution to drop dynamics of the rotor are examined. When the unbalance is small, the resulting motion is also small. As the level of unbalance increases, the motion of the rotor becomes larger, so there is potential for damage to the rotor and the backup bearings. The orbits of the rotor in the backup bearings after the rotor drops, velocities, and power loss during sliding-whirling stages are presented for various initial conditions and system parameters. Finally, based on simulation results, some design guidelines and suggestions are given.     

An Experimental Investigation of Condition Monitoring for Notched Rotors Through Transient Signals and Wavelet Transform

Experimental studies considering the dynamic transient signals of a notched rotor (i.e. a rotor with a transverse open crack) are investigated in order to examine the possibility of detecting the presence of open cracks in rotating machinery for low or high rotor accelerations. Firstly, the orbital patterns, spectrum cascade plots of the Power Spectral Density, evolutions of the 2× amplitudes of rotor with and without an open transverse crack are compared and discussed in the case of low accelerations of the rotor system. Secondly, the non-stationary vibration signals of the rotor with an open transverse crack at high accelerations are investigated. The timefrequency features and a tool based on the Continuous Wavelet Transform (CWT) to detect open cracks in a rotor system are discussed. It is demonstrated that both the Continuous Wavelet Transform (CWT) and changes on the 2× harmonic components are robust indicators for crack detection.     

直升机旋翼/机体动稳定性研究进展

首先对直升机旋翼/机体动不稳定性问题的种类进行了简要概述,包括旋翼挥舞/变距、变距/摆振、挥舞/摆振和挥舞/摆振/变距耦合等孤立旋翼动不稳定性问题,以及直升机地面共振和空中共振等旋翼/机体耦合动不稳定性问题,然后分别从气动力与结构的高精度数值模型、动稳定性的计算分析方法和实验模型测试3 个方面详细介绍了直升机旋翼/机体动不稳定性问题的研究现状,并着重讨论了直升机旋翼/机体动稳定性分析技术最近的主要研究方向:耦合CFD(computational fluid dynamics)/CSD(computational structuraldynamics) 的直升机旋翼气弹动稳定性分析、复合材料旋翼动稳定性分析及其材料不确定性影响、带减摆器的旋翼/机体动稳定性分析和先进直升机构型的旋翼/机体动稳定性分析,最后对直升机旋翼/机体动稳定性研究的发展趋势进行了展望.     

Experimental and numerical analysis of nonlinear dynamics of rotor–bearing–seal system

Nonlinear dynamics and stability of the rotor–bearing–seal system are investigated both theoretically and experimentally. An experimental rotor–bearing–seal device is designed and corresponding tests are carried out. The experimental rotor system is simplified as the Jeffcott rotor. The nonlinear oil–film forces are obtained under the short bearing theory and Muszynska nonlinear seal force model is used. Numerical method is utilized to solve the nonlinear governing equations. Bifurcation diagrams, waterfall plots, Poincaré maps, spectrum plots and rotor orbits are drawn to analyze various nonlinear phenomena and system unstable processes. Theoretical results from numerical analysis are in good agreement with results from experiments. Conclusions are drawn and prove that this study will contribute to the further understanding of nonlinear dynamics and stability of the rotor system with the fluid-induced forces from oil–film bearings and the seals.     

小型静电陀螺仪转子变形及干扰力矩分析

推导了小型静电陀螺仪转子非球形干扰力矩公式，仿真分析了两种不同结构的实心转子的温度变形、离心变形、压力变形及综合变形，计算了其变形产生的干扰力矩及漂移。     

非线性碰摩力对碰摩转子分叉与混沌行为的影响

研究了具有非线性碰摩力的转子局部碰摩的分叉与混沌运动,利用计算机仿真对某发动机转子的碰摩故障进行了数值模拟,讨论了转子系统参数的变化对转子混池运动状态的影响,并与碰摩实验结果进行了比较,发现了具有非线性碰摩力的转子局部碰摩转子系统的各种多周期运动和混沌运动及其演变过程。     

Bifurcation and nonlinear dynamic analysis of noncircular aerodynamic journal bearing system

This paper studies the bifurcation and nonlinear dynamic behaviors of a rigid rotor supported by a noncircular aerodynamic journal bearing system (NABS) with a specified rigid rotor. A hybrid numerical method combining the differential transformation method and the finite difference method are used to calculate pressure distribution of NABS and rotor orbits. The results obtained for the orbits of the rotor center are in good agreement with those obtained using the traditional finite difference approach. Moreover, the hybrid method avoids the divergence problem suffered by the finite difference scheme at low values of the rotor mass and computational time-step. The results presented summarize the changes which take place in the dynamic behavior of the NABS as the rotor mass and bearing number are increased and, therefore, provide a useful guideline for the bearing system.     

涡轮泵转子-迷宫密封系统的非线性稳定性和分岔

研究迷宫密封对某一工程涡轮泵转子系统动力特性的影响,迷宫密封力采用Muszynska非线性力模型,应用有限元法建立转子系统的动力学方程,采取系统动力学方程中包含的高阶线性自由度和低阶的非线性自由度进行分块处理的方法,有效地缩短了求解时间。根据Floquet理论,判别系统的临界失稳转速,并由Floquet乘子来确定系统失稳后分岔方式。采用分块-Newmark法数值模拟了转子二涡轮盘的轴心轨迹。最后分析了涡轮泵转子二涡轮盘的质量偏心同相位和存在90度相位差时对转子系统运动特性的影响。     

减小转子共振敏感性的结构设计方法初探

汽轮机工业发展的要求和转子动力学的进展,使现代汽轮机设计师开始有必要研究如何设计出振动性能更好的汽轮机,以便在突然产生不平衡等情况下仍保证机组安全,或者甚至在临界转速区也能安全运行的设计方法.本文通过一种简单的模型以及一系列不平衡响应计算来分析转子结构因素对共振特性的影响,从而提出从设计上减小转子共振对不平衡量的敏感性的若干方法.