一种旋翼与机体耦合动力学模态综合建模方法技术

一种旋翼与机体耦合动力学模态综合建模方法，属于直升机动力学设计技术，涉及旋翼与机体耦合动力学模态综合建模方法，适用于单旋翼、多旋翼耦合动力稳定性和动响应分析建模。针对需要考虑涵盖并适当超出直升机性能要求的飞行包线规定的飞行状态的旋翼桨叶运转气动环境，分析其空中共振不稳定性，研究高速、大过载飞行状态参数影响，寻找导致或影响空中共振发生的旋翼、桨叶及操纵控制系统结构设计参数，确定空中共振不稳定性边界。通过结构设计参数对空中共振的敏感分析，确定影响空中共振的结构设计参数范围，提出扩展空中共振安全边界的设计措施。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于直升机动力学设计技术，特别涉及一种旋翼与机体耦合动力学模态综合建模方法。
技术介绍
旋翼与机体耦合稳定性设计分析在直升机动力学设计中占有非常重要的地位，其动力学特性直接影响到直升机的安全、性能与品质，是关系到直升机型号研制成败的关键技术，近年来新构型旋翼(如无轴承旋翼)和多旋翼直升机型号研发成为我国直升机发展的新方向。无轴承旋翼使用柔性梁取代传统铰接式旋翼桨毂的水平铰、垂直铰和轴向铰，由于柔性梁变形复杂，桨叶挥舞、摆振和变距运动耦合较强，使该类直升机旋翼与机体耦合稳定性分析必须对多路桨毂传力和强耦合变形柔性梁进行准确建模；而多旋翼与机体耦合存在的不稳定性比单旋翼直升机的更复杂。因此，新构型旋翼与机体耦合稳定性建模分析技术是突破新构型旋翼和多旋翼直升机设计技术的关键之一。现有技术中，对于铰接式旋翼直升机旋翼与机体耦合稳定性建模分析和设计技术掌握全面，但没有开展过无轴承旋翼和多旋翼直升机地面共振和空中共振研究。目前国内已研和在研直升机型号都是铰接式，分析模型都将桨叶和机体当刚体处理，没有研究多旋翼直升机旋翼与机体耦合稳定性的建模分析方法，以及由分析方法要求的机体动力特性试验方法。因此，为适应新构型旋翼直升机研发需求，开展旋翼与机体耦合稳定性模态综合建模方法研究，准确模拟各种新构型旋翼桨毂、桨叶、直升机机体刚性运动和弹性变形，掌握新构型或多旋翼直升机耦合稳定性设计分析技术，满足我国直升机发展新需求。
技术实现思路
针对现代直升机旋翼新构型和多旋翼发展趋势，需要解决旋翼与机体耦合动力学设计分析技术问题，提出了一种采用模态综合技术对旋翼、机体这一多体动力学耦合系统进行模态综合建模的方法，应用哈密尔顿原理推导旋翼与机体耦合动力学方程，建立旋翼与机体耦合动力学模态综合分析模型，主要包括：(1)构建完整的描述机体、旋翼桨毂、桨叶运动的坐标系统和机体、旋翼桨叶及气动模型；(2)构建机体和旋翼桨叶及控制结构系统有限元法动力学模型，用于准确模拟各种旋翼及桨叶构型设计的结构动力学特性；(3)建立旋翼与机体模态耦合动力学模型，采用模块化式的建模构想，适合于多旋翼、多桨叶及控制系统耦合动力学模型的组装和取舍；(4)推导机体基础运动产生的牵连惯性和气动等载荷，用于旋翼装于机体上以子结构残余节点位移导出机体牵连运动在桨叶惯性和气动等载荷中表达；(5)构建一阶和高阶动力入流的非定常气动力模型，为稳定性分析和动响应分析选用；(6)基于翼型气动特性试验数据计算翼型升力、翼型阻力和力矩系数在非定常气流环境中的响应特性的ONERA气动模型，用于计算非定常气流环境中翼型的气动特性；(7)构建桨叶后缘小翼偏转控制模型，用于直升机旋翼与机体耦合稳定性控制和振动响应或载荷控制的模型；(8)构建实现直升机旋翼与机体耦合稳定性控制和振动响应或载荷控制的桨距控制系统模型，用于分析飞行控制和ACFS系统对桨叶桨距控制影响；(9)以矩阵表示方式建立复杂高阶非线性动力学方程，建立翼与机体耦合动力学模态综合模型。优选的是，旋翼与机体耦合动力学分析建模包括对旋翼、机体进行结构动力学建模、气动力建模和模态综合。该动力系统是由多个结构体装配而成，采用多体动力学方法，建立坐标系统及转换关系，描述各结构的运动，采用分别建模方法建立旋翼、机体的结构动力学模型。首先，分别建立孤立旋翼桨叶和机体结构动力学有限元模型；它们是整个分析模型的子结构动力学模型，根据所关心模态阶数及范围，从子结构模态中选取低阶模态进行综合，然后应用模态综合技术建立旋翼与机体耦合模态综合分析模型。在上述任一方案中优选的是，旋翼与机体耦合动力学方程导出采用哈密尔顿原理推导旋翼与机体耦合动力学方程。首先导出机体模态运动动能、势能变分和外力虚功，再导出桨叶的变形能、运动动能的变分和外力(气动力)虚功，累加所有旋翼桨叶变形能、动能的变分和外力虚功，代入变分方程：∫t1t2(δU-δT-δW)dt=0---(1)]]>通过解机体结构有限元动力学方程，得到机体固有频率和振型，用所选定的机体模态振型矩阵把动力学方程变换到模态空间，得到机体模态运动的动能和势能变分和外力虚功，代入方程(1)导出NF个独立的机体模态与旋翼桨叶耦合振动微分方程。将所有旋翼桨叶变形能、动能的变分和外力虚功，代入变分方程(1)，导出旋翼桨叶与机体模态耦合动力学方程。用独立的桨叶运动节点位移{qie本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋翼与机体耦合动力学模态综合建模方法，其特征在于：(1)构建用于描述机体、旋翼桨毂、桨叶运动的坐标系统和机体、旋翼桨叶及气动模型；(2)构建用于模拟旋翼及桨叶构型设计结构动力学特性的机体和旋翼桨叶及控制结构系统有限元法动力学模型；(3)针对多旋翼、多桨叶及控制系统耦合动力学模型的组装和取舍，采用模块化式的建模思想,建立旋翼与机体模态耦合动力学模型；(4)针对旋翼装于机体上以子结构残余节点位移导出机体牵连运动在桨叶惯性和气动等载荷中表达,推导机体基础运动产生的牵连惯性和气动等载荷；(5)构建一阶和高阶动力入流的非定常气动力模型；(6)基于翼型气动特性试验数据计算翼型升力、翼型阻力和力矩系数在非定常气流环境中的响应特性的ONERA气动模型，用于计算非定常气流环境中翼型的气动特性；(7)构建桨叶后缘小翼偏转控制模型，用于直升机旋翼与机体耦合稳定性控制和振动响应或载荷控制的模型；(8)构建实现直升机旋翼与机体耦合稳定性控制和振动响应或载荷控制的桨距控制系统模型，用于分析飞行控制和ACFS系统对桨叶桨距控制影响；(9)以矩阵表示方式建立复杂高阶非线性动力学方程，建立翼与机体耦合动力学模态综合模型。...

【技术特征摘要】
1.一种旋翼与机体耦合动力学模态综合建模方法，其特征在于：
(1)构建用于描述机体、旋翼桨毂、桨叶运动的坐标系统和机
体、旋翼桨叶及气动模型；
(2)构建用于模拟旋翼及桨叶构型设计结构动力学特性的机体
和旋翼桨叶及控制结构系统有限元法动力学模型；
(3)针对多旋翼、多桨叶及控制系统耦合动力学模型的组装和
取舍，采用模块化式的建模思想,建立旋翼与机体模态耦合动力学模
型；
(4)针对旋翼装于机体上以子结构残余节点位移导出机体牵连运
动在桨叶惯性和气动等载荷中表达,推导机体基础运动产生的牵连惯
性和气动等载荷；
(5)构建一阶和高阶动力入流的非定常气动力模型；
(6)基于翼型气动特性试验数据计算翼型升力、翼型阻力和力矩
系数在非定常气流环境中的响应特性的ONERA气动模型，用于计算
非定常气流环境中翼型的气动特性；
(7)构建桨叶后缘小翼偏转控制模型，用于直升机旋翼与机体耦
合稳定性控制和振动响应或载荷控制的模型；
(8)构建实现直升机旋翼与机体耦合稳定性控制和振动响应或载
荷控制的桨距控制系统模型，用于分析飞行控制和ACFS系统对桨
叶桨距控制影响；
(9)以矩阵表示方式建立复杂高阶非线性动力学方程，建立翼与
机体耦合动力学模态综合模型。
2.根据权利要求1所述的旋翼与机体耦合动力学模态综合建模
方法，其特征在于：所述构建完整的描述机体、旋翼桨毂、桨叶运动
的坐标系统和机体、旋翼桨叶及气动模...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌爱民，朱艳，钱峰，
申请(专利权)人：中国直升机设计研究所，
类型：发明
国别省市：江西;36