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。     

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。     

直升机不平衡旋翼动力学建模与轴心运动轨迹分析方法研究

研究了Johnson提出的倾转旋翼不平衡载荷前飞动力学模型,将其桨叶分析方法应用于直升机旋翼系统模态分析。在刚性条件假设下推导了直升机旋翼弹性阻尼和惯性力综合作用时桨叶的挥舞和摆振运动方程,给出了固定和旋转坐标系下对应的运动方程。通过引入均匀入流和线性扭转假设,获得了运动方程的理论解析解。利用叠加原理,得到了桨毂轴心运动方程;采用Newmark法进行振动微分方程求解,最终得到了直升机旋翼的轴心运动轨迹。以某型直升机旋翼系统为例,验证了本研究所提出旋翼桨叶模态分析方法的准确性,给出了兼顾计算精度和效率的最佳求解步长选取方法;预测了典型飞行状态下的桨毂轴心运动轨迹,为直升机旋翼系统设计提供了基础方法和技术参考。     

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。     

机翼刚心位置对回转颤振稳定性边界的影响分析

基于哈密顿原理,建立了适合快速开展回转稳定性设计参数评估的倾转旋翼/短舱/机翼多体气弹耦合动力学分析模型,并通过参数影响分析,获得机翼刚心位置前移有利于提高倾转旋翼机回转颤振稳定性边界的重要结论。所建立的分析方法和获得的结论,对工程设计具有重要的指导意义,可以在机翼气动外形约束条件下,通过调整机翼内部结构特性,合理将机翼的刚心位置向机翼前缘移动,达到提高该构型飞行器回转颤振稳定性裕度的目的。     

直升机旋翼与机身耦合固有频率分析

在分析直升机旋翼挥舞，扭摆，变距运动基础上，应用多体系统动力学建模法建立直升机旋翼与机身耦合的动力学方程。在直升机稳定飞行状态下，对其动力学方程中描述直升机机身刚体运动的参数和旋翼刚体运动的参数进行泰勒展开，做线性化处理，导出直升机旋翼与机身耦合线性化动力学方程，然后计算系统的固有频率。分析计算了一个直升机样机的固有频率，算例表明机身的弹性变形对系统的固有特性有一定的影响。     

直升机旋翼鸟撞研究现状与展望

直升机通过旋翼产生升力并实现飞行操纵,旋翼部件一旦发生失效,将会产生灾难性的后果,而鸟撞是直升机低空飞行特点下的典型事故。因此,有必要关注直升机旋翼的鸟撞动力学过程及其损伤失效行为。本研究结合适航规章和国家军用标准要求分析了直升机旋翼鸟撞的特点及研究意义,综述了近年来直升机旋翼鸟撞的试验研究,分析旋翼鸟撞的模型表征方法,总结旋翼鸟撞的数值模拟技术,并介绍了旋翼抗鸟撞优化及鸟撞预防策略,最后对直升机旋翼鸟撞研究的未来发展进行了展望,为直升机旋翼工程设计提供技术支持。     

直升机旋翼复合材料结构损伤容限设计中的问题

对直升机旋翼复合材料结构的特点、旋翼结构损伤容限设计特点和要求进行了介绍;根据国内旋翼结构设计的工作经验,总结了旋翼复合材料结构损伤容限设计的主要研究内容;给出了旋翼损伤确定方法、损伤与旋翼动态特性之间的耦合分析、各类损伤量临界值的确定方法等关键技术。结果表明:深入开展直升机旋翼复合材料结构损伤容限分析与设计技术的研究,对提高直升机旋翼的使用寿命、直升机的飞行品质和飞行安全具有极其重要的意义。     

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.     

倾转旋翼过渡状态的尾迹及气动力特性计算与分析

建立了倾转旋翼机倾转过渡状态旋翼尾迹和气动力的计算方法.该方法中,桨叶的气动模型采用Weissinger-L升力面理论模拟,尾迹的控制方程考虑了旋翼倾转运动对速度分量的影响,并采用时间步进方法求解旋翼自由尾迹,为提高计算精度,使用了4阶Adams-Moulton预测-校正数值算法.同时,该方法中还推导了能适用于倾转过渡状态的旋翼桨叶挥舞运动方程,并结合了旋翼配平模型.利用所建立的方法,首先计算了悬停和前飞状态时的旋翼自由尾迹几何形状,并通过与可得到的实验结果对比,验证了计算方法的有效性.然后,计算和分析了旋翼在不同倾转状态下的尾迹滞后及弯曲特征,以及倾转旋翼的拉力、俯仰和滚转力矩随时间的变化,在此基础上,得出了一些有意义的结论.     

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。     

基于动态面搭接技术的直升机旋翼流场分析

为了进一步提高直升机旋翼流场计算的精度与效率,本文根据直升机旋翼的运动特点,发展了一种基于结构化网格动态面搭接技术及低速预处理技术的直升机旋翼流场的非定常数值分析方法。采用该方法分别对Caradonna-Tung、UH-60A旋翼模型的悬停流场及NASA某旋翼无升力前飞流场进行了数值分析;将计算所得的旋翼表面压力分布与风洞试验结果进行了对比,对旋翼的尾涡结构进行了相关分析。分析结果表明:本文所发展的方法具有较高的精度且计算速度快,并能够比较准确地捕捉直升机旋翼的尾涡结构,可以用于直升机旋翼流场的分析研究,从而为开展考虑挥舞及变距运动的直升机旋翼前飞状态非定常气动特性的研究奠定了基础。     

悬停状态下无铰式旋翼动力学参数试验研究

旋翼结构参数及动力学参数对旋翼动力学特性有着重要影响。随着旋翼结构型式的不断更新,在旋翼设计中需要考虑的动力学参数也相应增加,从而使旋翼的动力学问题更加复杂化。本文通过在２米旋翼试验台上进行的试验,用测量桨叶频响函数和稳态响应的方法研究了悬停状态预锥角、预掠角和总距角等旋翼结构参数对桨叶固有特性及气动弹性稳定性的影响规律,并同计算结果进行了比较,得到了一些对旋翼设计有实用意义的结论     

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等. 近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学 建模与计算,还涉及其动力学优化设计. 事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法. 本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何 精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法. 系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和 拓扑优化 3 个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展. 本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.      

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等.近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学建模与计算,还涉及其动力学优化设计.事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法.本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法.系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和拓扑优化3个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展.本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.     

直升机气动弹性力学发展现状

综述了近15年来直升机气动弹性力学的发展现状。讨论了结构算子、惯性算子和空气动力算子。介绍了由中等变形引起的几何非线性,以及气动力失速在气动弹性稳定性和响应问题中所起的重要作用。叙述了整副旋翼及旋翼/机体耦合的气动弹性力学问题。      

四旋翼无人机模糊自抗扰姿态控制及稳定性分析

针对四旋翼无人机姿态控制问题,设计了一种基于模糊自抗扰控制的四旋翼姿态控制器。分析了四旋翼无人机的动力学模型,给出了基于模糊自抗扰控制算法的姿态控制方案,并设计了对应的模糊自抗扰控制算法的扩张状态观测器和模糊状态误差反馈控制器。通过稳定性分析,得出了扩张状态观测器估计误差是有界的,同时给出了反馈误差稳定的充分条件。仿真结果表明,所设计的模糊自抗扰控制器,同经典自抗扰控制器相比,系统平均超调量减小约75%,降低了扰动造成的输出波动幅值约30%,表明该控制系统提高了系统稳定性和对干扰抑制能力,满足对四旋翼姿态控制要求。     

直升机旋翼／机身耦合系统的气弹响应分析（二）方程的求解

在文（一）得到的直升机旋翼系统运动方程的基础上,运用动态子结构的方法对旋翼系统和机身作为相对独立的部分进行分析,通过界布的力平衡和几何协调将子系统耦合系统整体系统,用分割－迭代法求解直至旋翼系统和机身的响应同时收敛到精度要求,并研制相应的计算程序,给出了工程算例。     

无伞末敏弹气动特性风洞实验研究

为实现末敏弹的无伞稳态扫描运动,设计了一种短圆柱轴向非对称尾翼子弹气动外形。设计了模型和实验装置,进行了大迎角低速风洞实验。获得了模型在有/无减旋翼、固定和自由旋转条件下的气动力数据,测量了模型在气动力作用下的转速。实验结果表明:设计的尾翼能够为模型提供较大的阻力,旋转时模型的阻力系数有所减小;在有减旋翼的情况下,模型能够保持较低的稳定转速;模型的静稳定性较差;模型旋转时稳定性有较大的改善。需要进一步改进尾翼,提高静稳定性,为扫描角的稳定提供保证。实验结果可为无伞末敏弹的设计和改进提供参考。     

四旋翼飞行器建模及位置跟踪控制(英文)

相对其他无人飞行器平台,四旋翼飞行器有其独特的优势,因而受到广泛的关注。位置跟踪控制对四旋翼飞行器的应用非常重要。在阐述四旋翼飞行器的飞行原理和操控机制的基础上,研究了其动力学模型,并提出了一种简化的数学模型。四旋翼飞行器是欠驱动耦合系统,为了实现系统解耦并得到清晰的控制回路,设计了多回路PID控制方案,其控制目标是位置和偏航角,而姿态角和横滚角由位置误差调节。最后,通过仿真验证了控制方法的有效性。