一种压电复合材料直升机桨叶结构及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种压电复合材料直升机桨叶结构及其控制方法，将压电复合材料埋置在旋翼桨叶的复合材料层合结构中，并基于结构模型、气动力模型和压电复合材料模型等，能够准确描述旋翼桨叶的运动规律，进而准确计算旋翼桨叶的动力学特性。本发明专利技术提出的采用控制器对旋翼桨叶进行控制，采用Kalman观测器获得白噪声干扰情况下的旋翼桨叶数据，并将其作为控制的输入变量，进而通过控制器对压电复合材料的输入电压进行控制，最终达到控制桨叶动力学响应和变形的目的。本发明专利技术提出的模型建立方法及控制方法，具有较大的通用性和准确性，能够准确获得直升机旋翼桨叶的动力学特性，控制效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种压电复合材料直升机桨叶结构的控制方法
本专利技术属于直升机动力学领域，具体涉及一种压电复合材料直升机桨叶结构及其控制方法，可用于直升机旋翼桨叶设计及制造。
技术介绍
直升机以其独特的垂直起降和空中悬停的能力，能够完成固定翼飞机无法完成的任务，在国防和民用方面得到了广泛的使用。但是过高的振动水平严重影响了乘员的乘坐品质、结构部件的疲劳寿命、机载设备的正常工作，已经成为限制直升机使用的最大障碍。因此减振降噪是直升机研究与设计的重要内容之一。传统的减振方法主要采用被动式的吸振或隔振装置，但导致重量增加、维护成本上升，已经不能满足新一代直升机对减振性能的要求了。九十年代出现了主动减振控制，包括高阶谐波控制和单片桨叶独立控制，但是早期的主动控制技术在实现减振的同时也带了一些负面影响，如增加结构重量、气动阻力、能量消耗过大、动力装置复杂等。直升机旋翼桨叶结构的材料、分析模型和控制方法等均会对直升机旋翼系统动力学特性产生重要影响。为了不断提高直升机性能，降低直升机振动水平，提高乘员舒适性和机载设备的可靠性。如何采用更为有效的旋翼桨叶结构、并建立准确的模型以及如何选择控制方法成为了重要的问题。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术的不足，提出了一种采用压电材料的直升机旋翼桨叶结构，并提出了对应的模型建立方法以及减振控制方法。直升机旋翼桨叶结构将压电复合材料埋置在旋翼桨叶的复合材料层合结构中，通过电压控制压电复合材料变形能够控制桨叶的变形大小，而通过对其施加电信号产生的应力能够控制桨叶内部应力大小和分布规律，本专利技术所提出的旋翼桨叶结构不但能够改善桨叶的气动环境，改变旋翼桨叶内部的应力大小与分布，还能够实现减振、降低噪声，进而提高直升机性能和使用寿命。本专利技术所提出来的分析模型基于结构模型、气动力模型和压电复合材料模型等，能够准确描述旋翼桨叶的运动规律，进而准确计算旋翼桨叶的动力学特性。本专利技术提出的采用控制器对旋翼桨叶进行控制，采用Kalman观测器获得白噪声干扰情况下的旋翼桨叶数据，并将其作为控制的输入变量，进而通过控制器对压电复合材料的输入电压进行控制，最终达到控制桨叶动力学响应和变形的目的。以下对本专利技术所采用的技术方案做进一步描述：一种压电复合材料直升机桨叶结构，桨叶的复合材料层中设置有压电复合材料，所述压电复合材料设置区域距离桨叶前缘和尾缘一定距离；其中，压电复合材料区域起始点距离前缘端部位置不小于0.001倍的桨叶弦长；通过控制改变压电复合材料电压，控制桨叶变形和桨叶内部应力大小和分布情况，进而实现对桨叶振动和噪声的控制。进一步的，所述压电复合材料区域终点设置于腹板与翼型表面连接处。进一步的，所述压电复合材料设置区域贯穿于旋翼桨叶翼梁和蒙皮结构，其中区域终止位置为腹板与后缘之间的整流罩蒙皮中。进一步的，所述的压电复合材料结构沿弦长方向可以由一段或者几段具有压电复合材料的层合结构组成，每一段均具有不同的铺层角度或者厚度。进一步的，所述压电复合材料设置区域在展向上为整段或分段结构，其中每一段均采用电压独立控制。一种如上述所述的压电复合材料直升机桨叶结构的模型建立方法及其控制方法，包括以下步骤：步骤一，建立压电复合材料旋翼桨叶结构的分析模型，其中包括:①建立结构模型②建立气动力模型③建立驱动系统模型④对模型方程进行求解步骤二，观测旋翼桨叶的变形、振动和噪声等信息，根据步骤一中的分析模型对旋翼桨叶进行分析，将旋翼桨叶的变形、振动和噪声等信息传输给控制器，控制器通过求解最小化价值函数实现对旋翼桨叶系统的控制，并且通过调整桨叶能量和控制输入两部分，从而可以实现不同控制效果。步骤三，监控控制后的桨叶变形、内部应力大小和分布、振动和噪声等情况，并反馈给控制器，由步骤二中的控制方法重新调整控制参数，不但可以达到最佳的控制效果，还可以实现在直升机运动过程中实时稳定的对旋翼桨叶进行控制。进一步的，步骤二和步骤三中采用了考虑白噪声干扰的Kalman观测器处理桨叶应力、变形、振动等信息，并将获得的观测数据作为控制器的输入数据，进而针对桨叶输出合理的控制电压。本专利技术的优点在于：1)相对于传统的直升机旋翼桨叶控制方法，本专利技术所提出的压电材料直升机旋翼结构具有重量轻、结构简单等优点。2)所提出的直升机旋翼桨叶分析模型能够处理具有预扭/弯的各向异性的运动梁，考虑任意大位移、大转动的全局变形，本专利技术的梁模型能够准确描述几何数据，能够精确描述梁的位移和梁截面的位移与转动。3)本专利技术提出的模型建立方法，具有较大的通用性和准确性，能够准确获得直升机旋翼桨叶的动力学特性。4)本专利技术所采用的控制方法具有控制效率高、控制效果好，并且能够控制旋翼桨叶能量的优点。5)本专利技术所提出的压电复合材料旋翼桨叶结构及其控制方法不但可以控制旋翼桨叶的振动和噪声，还可以实现对桨叶变形、内部应力大小和分布的控制，并能够提高直升机性能和使用寿命。附图说明图1是本专利技术中的压电复合材料层合结构示意图；图2是本专利技术中的压电材料在旋翼桨叶中的布置方式示意图；图3是本专利技术中的一种较佳压电材料布置方式示意图；图4是本专利技术中的另一种较佳压电材料布置方式示意图；图5是本专利技术中的分段式压电复合材料结构示意图；图6是本专利技术中的整段式压电复合材料结构示意图；图7是本专利技术中的旋翼桨叶分析模型示意图；图8是本专利技术中的旋翼桨叶结构变形示意图；图9是本专利技术中的旋翼桨叶控制方法示意图；图10是本专利技术实施例中的白噪声干扰示意图；图11是本专利技术实施例中的控制电压随时间的变化规律示意图；图12是本专利技术实施例中的翼尖速度随时间的变化规律示意图；图13是本专利技术实施例中的翼根应变随时间的变化规律示意图；图中:1、桨叶；2、腹板；3、前缘；4、压电材料区域；5、非压电材料区域；6、后缘；7、连接区域；8、复合材料层合结构；9、压电复合材料；10、压电材料区域起始点11、压电复合材料区域终点12、桨毂；13、变形前桨叶；14、变形后桨叶具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。一、具有压电复合材料的旋翼桨叶结构本专利技术提出将压电复合材料9应用于直升机旋翼桨叶1结构中，利用压电复合材料9在电场作用下产生截面力载荷和弯曲载荷，从而达到控制旋翼桨叶1变形、桨叶1内部应力大小和分布、减振以及降噪的目的，并最终实现提高直升机性能和使用寿命的目的。如图1所示为复合材料层合结构8，在直升机旋翼桨叶1结构中压电复合材料层合结构均采用该类型结构。在原有的复合材料层合结构8中夹杂压电复合材料9，压电复合材料9可以选择压电陶瓷或者压电薄膜等，也不限定其他压电复合材料。在旋翼桨叶1结构设计过程中，可以灵活选择传统复合材料和压电复合材料9的铺层顺序和铺层角度。本专利技术将压电复合材料9与旋翼桨叶1设计结合，将压电复合材料9埋置于复合材料层合结构8中，将其作为桨叶1结构的一部分。本专利技术提出的具有压电复合材料9的旋翼桨叶剖面如图2所示，旋翼桨叶1由具有压电复合材料9的层合结构和传统的复合材料层合结构8组成，由于制造等方面的限制，在前缘3和后缘6处不布置压电复合材料9。具有压电复合材料9的复合材料层合结构8首部靠近前缘部位，压电材料区域起始点10离前缘端部位置不小于0.001倍的桨叶弦长，而压电复合材料区域终点11则根据设计需要可分分为如图3和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电复合材料直升机桨叶结构，其特征在于，桨叶的复合材料层中设置有压电复合材料，所述压电复合材料设置区域距离桨叶前缘和尾缘一定距离；其中，压电复合材料区域起始点距离前缘端部位置不小于0.001倍的桨叶弦长；通过控制改变压电复合材料电压，控制桨叶变形。

【技术特征摘要】
1.一种压电复合材料直升机桨叶结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立压电复合材料旋翼桨叶结构的分析模型，其中包括:①建立结构模型以x表示沿未变形的预扭/弯梁的参考线的弧长坐标，并引入未变形梁截面参考坐标系b和变形梁截面参考坐标系B，桨毂固定参考坐标系为a，坐标系的单位正交坐标基矢量为ai，其中，i＝1,2,3；两截面参考坐标系的单位正交坐标基矢量分别为bi和Bi，其中，i＝1,2,3，其中，b1与未变形梁参考线相切，b2和b3位于未变形梁的参考横截面内，而B1与变形梁的参考横截面垂直，B2和B3位于变形梁的参考横截面内；旋翼桨叶(1)结构模型方程如式(1)-(4)下：其中，式(1)-(2)是动力学方程，式(3)-(4)是运动学方程；和()′分别表示对时间t和梁参考线坐标x求导；F和M分别为内力和内力矩；k是预扭/弯曲率，γ和κ分别为力应变和力矩应变；P和H分别为惯性线动量和角动量；和Ω分别为速度和角速度；f和m分别为单位长度上的气动外力和气动外力矩，方程中各未知量均是t和x的函数，各变量均为矢量形式，e1＝{100}T为单位矢量；广义内力与应变之间，存在线性本构关系：其中U、V和W为3×3矩阵，均表示梁截面刚度，可通过二维梁截面分析获得，FA和MA表示由于压电复合材料(9)引起的力和力矩；动量与速度之间，通过截面的惯性属性，也存在线性关系：其中，G，K和E为惯性矩阵，表达式分别如式(7)-(9)G＝μΔ3(7)其中，μ为单位长度质量，Δ3为3×3单位矩阵，ξs为表达在B坐标系内的截面质心相对梁参考线的偏移矢量，i2和i3分别为关于B2和B3的截面质量惯性矩，i23为截面质量惯性积；②建立气动力模型气动力模型考虑了主要的气动弹性效应，式(10)和式(11)为坐标系B中气动力fB和力矩mB变形的表达式，由此两个表达式通过坐标变换即可得到作用在桨叶(1)上的气动外力f和气动外力矩m，其中，ρ∞为空气密度，c为弦长，cα为升力线斜率，为阻力系数，Ω1表示桨叶的旋转速度在B1方向上的分量，和为来流速度在B坐标系下的分量；③建立驱动系统模型系统模型如式(12)所示，通过该模型可以获得施加电压之后所产生的力FA和力矩MA，其中，Eu和Fu为截面常数，可以由电压值和截面刚度矩阵获得，uu为施加在智能材料上的控制电压，该模型中的每一个独立的压电复合材料层合结构可以独立控制，因此该电压为一个向量，包括了施加在各个压电复合材料层合结构上的电压值；③对模型方程进行求解将Ω，γ和κ作为主未知量，并将各个未知量表达为的模态函数的线性叠加，具体如式(13)-(16)所示:

【专利技术属性】
技术研发人员：任毅如，孟少华，文桂林，方棋洪，向锦武，张亚军，张连鸿，郭俊贤，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43