基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法技术

本发明专利技术提供一种基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法，包括：输入动力学参数、重叠网格、以及流场CFD计算参数；基于输入的参数，在多学科耦合分析框架下完成桨叶滑流非定常流场计算，得到桨叶飞脱初始位置下的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数；基于桨叶飞脱初始位置下的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数在多学科耦合分析框架下完成桨叶飞脱非定常流场计算，获得不同时刻桨叶飞脱的动力学参数并判断飞脱的桨叶是否与飞机其他部件发生碰撞。本发明专利技术提出多学科耦合分析框架实现桨叶飞脱工况模拟和动力学仿真安全计算，能够准确计算桨叶运动参数；并且实现了飞脱桨叶与其他部件的自动碰撞检测能力。自动碰撞检测能力。自动碰撞检测能力。

【技术实现步骤摘要】
基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法


[0001]本专利技术涉及螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估
，具体而言，涉及一种基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法。

技术介绍

[0002]近年来，螺旋桨飞机由于各种原因导致桨叶飞脱而造成的飞行事故呈高发态势。2011年美军一架KC130T飞机在空中飞行时，2号发动机的螺旋桨叶片由于老锈问题断裂脱落，击中飞机一侧后将飞机切分成3块，导致飞机坠毁，机上16人全部遇难；2014年11月6日，加拿大航空一架庞巴迪Q400由于轮胎爆裂紧急迫降时，机身右倾着地导致螺旋桨叶片飞脱，从窗口插入机身，重伤一名女乘客；2017年3月17日，澳洲航空的一架双发萨博340客机在空中右发螺旋桨飞脱，幸好螺旋桨叶片没有砍到机身，飞行员成功迫降。针对此类事故，我国在最新的运输类飞机适航条款CCAR25.905(d)中已明确规定，必须采取设计预防措施，使得螺旋桨叶损坏或由于桨毂损坏而松脱时，对飞机的危害减至最小，该条款中提出可提供分析/计算文件来表明符合性，分析/计算中需要研究螺旋桨飞脱叶片的运动轨迹，主要内容就是建立叶片失效模型，安全评估螺旋桨叶片损坏或由于桨毂损坏而松脱时对飞机的危害性影响。因此建立螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法是非常必要且急需的。
[0003]此前关于螺旋桨飞机桨叶飞脱的评估分析方法，由于具有一定的危险性和代价昂贵的缺陷，导致适航取证难度极大。美国联邦航空管理局(FAA)对此类条款的飞机适航符合性曾有豁免，后来即使有取证要求，也只是在地面通过单螺旋桨疲劳台架试验，或通过数学模型以工程估算的方式进行即可，相比真实飞行条件，其准确度仍有所欠缺，目前国内外未见在非定常滑流流场中实现飞脱叶片运动轨迹仿真的高可信度评估方法的公开资料报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法，以解决上述的问题。
[0005]本专利技术提供的一种基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法，包括如下步骤：步骤S1，初始化阶段：输入动力学参数、机体
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桨叶重叠网格、以及流场CFD计算参数；步骤S2，滑流计算阶段：基于动力学参数、机体
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桨叶重叠网格、以及流场CFD计算参数，在多学科耦合分析框架下完成桨叶滑流非定常流场计算，得到桨叶飞脱初始位置的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数；步骤S3，桨叶飞脱阶段：基于桨叶飞脱初始位置的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数，在多学科耦合分析框架下完成桨叶飞脱过程的非定常流场计算和多体动力学计算的耦合计算，得到桨叶飞脱非定常流场，获得桨叶飞脱过程中不同时刻的动力学参数并判断飞脱的桨叶是否与飞机其他部件发生碰撞。
[0006]进一步的，步骤S1包括：(1)向多体动力学计算模块输入桨叶旋转和桨叶飞脱的动力学参数；(2)向动态并行重叠网格模块输入机体
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桨叶重叠网格完成重叠网格插值关系装配；(3)向URANS并行非定常CFD求解器输入流场CFD计算参数，包括定常初始流场及其流场初始化参数。
[0007]进一步的，步骤S2包括：(1)多体动力学计算模块根据输入的桨叶旋转的动力学参数，在多学科耦合分析框架下进行多体动力学计算，实现桨叶的约束旋转运动，得到飞脱桨叶和正常旋转桨叶的运动参数；(2)动态并行重叠网格模块根据输入的机体
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桨叶重叠网格以及飞脱桨叶和正常旋转桨叶的的运动参数寻找桨叶网格与机体网格的动态插值关系，分别得到各正常旋转桨叶的动态插值边界；(3)URANS并行非定常CFD求解器通过动态插值边界完成桨叶网格与机体网格的流场信息交换，并在多学科耦合分析框架下对定常初始流场完成桨叶滑流非定常流场计算，得到桨叶滑流非定常流场，并获得收敛状态下的桨叶滑流非定常瞬时流场以及动力学参数，此时的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数，即为桨叶飞脱初始位置下的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数，并将其作为桨叶飞脱阶段的非定常流场计算和多体动力学计算的耦合计算的初始条件。
[0008]进一步的，步骤S3包括：(1)多体动力学计算模块解除桨叶飞脱的旋转约束，并根据步骤S1输入的桨叶飞脱的动力学参数以及步骤S2计算得到的桨叶飞脱初始位置下的飞脱桨叶动力学参数进行多体动力学计算，实现桨叶飞脱的六自由度运动，得到飞脱桨叶运动参数，此过程中正常旋转桨叶仍然保持旋转约束；(2)动态并行重叠网格模块根据输入的机体
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桨叶重叠网格以及飞脱桨叶不同时刻运动参数和正常旋转桨叶此刻的旋转角度，来寻找桨叶网格与机体网格的动态插值关系，得到飞脱桨叶和正常旋转桨叶的动态插值边界；(3)URANS并行非定常CFD求解器通过动态插值边界完成桨叶网格与机体网格的流场信息交换，并在多学科耦合分析框架下从桨叶飞脱初始位置下的滑流流场开始完成桨叶飞脱过程中不同时刻的流场计算，获得不同时刻桨叶飞脱的动力学参数并判断飞脱的桨叶是否与飞机其他部件发生碰撞。
[0009]进一步的，所述多学科耦合分析框架是指：(1)建立多体约束系统的动力学微分
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代数方程组进行非定常流场计算和多体动力学计算的耦合计算；(2)在非定常流场计算和多体动力学计算的耦合计算中，在一个非定常流场计算时间步长内完成多步连续的多体动力学计算；(3)在非定常流场计算和多体动力学计算的耦合计算中，进行四元数与欧拉角的相互转换。
[0010]进一步的，所述多体约束系统的动力学微分
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代数方程组为：
其中，为微分
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代数方程；为广义坐标q和系统约束代数方程组的拉格朗日乘子λ构成的待求解向量；代表第n+1个时间步的待求解向量；为多体动力学常微分方程组；为系统约束代数方程组，其为广义坐标q，广义速度和时间t的函数；M为多体系统质量矩阵；为广义加速度；为系统约束代数方程组对广义坐标的偏导数矩阵的转秩，Q为外载荷力。
[0011]进一步的，步骤S3中基于射线求交法实现飞脱的桨叶是否与飞机其他部件发生碰撞的自动检测。
[0012]具体地，所述基于射线求交法实现飞脱的桨叶是否与飞机其他部件发生碰撞的自动检测的方法为：基于几何光学原理，将飞脱的桨叶物面上的网格点P取做视点，通过模拟光的传播路径，对网格点P与飞机其它部件面C上的每个小面元进行求交运算，以此来确定网格点P与面C的交点个数，若交点为奇数，则网格点P位于面C内，说明飞脱的桨叶物面上的该网格点P与其它部件发生碰撞；遍历整个飞脱的桨叶物面，则能判断飞脱桨叶是否与飞机其它部件发生碰撞。
[0013]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出多学科耦合分析框架实现真实飞行条件下多片多轴、变转速螺旋桨桨叶在瞬时解除约束条件下的桨叶飞脱工况模拟和动力学仿真安全计算，能够准确计算桨叶的速度、轨迹、姿态、角速度等运动参数；并且发展飞脱桨叶与其他部件的自动碰撞检测能力，实现了碰撞瞬间部件参数的自动报告，能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，初始化阶段：输入动力学参数、机体
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桨叶重叠网格、以及流场CFD计算参数；步骤S2，滑流计算阶段：基于动力学参数、机体
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桨叶重叠网格、以及流场CFD计算参数，在多学科耦合分析框架下完成桨叶滑流非定常流场计算，得到桨叶飞脱初始位置的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数；步骤S3，桨叶飞脱阶段：基于桨叶飞脱初始位置的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数，在多学科耦合分析框架下完成桨叶飞脱过程的非定常流场计算和多体动力学计算的耦合计算，得到桨叶飞脱非定常流场，获得桨叶飞脱过程中不同时刻的动力学参数并判断飞脱的桨叶是否与飞机其他部件发生碰撞。2.根据权利要求1所述的基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法，其特征在于，步骤S1包括：(1)向多体动力学计算模块输入桨叶旋转和桨叶飞脱的动力学参数；(2)向动态并行重叠网格模块输入机体
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桨叶重叠网格完成重叠网格插值关系装配；(3)向URANS并行非定常CFD求解器输入流场CFD计算参数，包括定常初始流场及其流场初始化参数。3.根据权利要求2所述的基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法，其特征在于，步骤S2包括：(1)多体动力学计算模块根据输入的桨叶旋转的动力学参数，在多学科耦合分析框架下进行多体动力学计算，实现桨叶的约束旋转运动，得到飞脱桨叶和正常旋转桨叶的运动参数；(2)动态并行重叠网格模块根据输入的机体
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桨叶重叠网格以及飞脱桨叶和正常旋转桨叶的运动参数寻找桨叶网格与机体网格的动态插值关系，分别得到各正常旋转桨叶的动态插值边界；(3)URANS并行非定常CFD求解器通过动态插值边界完成桨叶网格与机体网格的流场信息交换，并在多学科耦合分析框架下对定常初始流场完成桨叶滑流非定常流场计算，得到桨叶滑流非定常流场，并获得收敛状态下的桨叶滑流非定常瞬时流场以及动力学参数，此时的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数，即为桨叶飞脱初始位置下的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数，并将其作为桨叶飞脱阶段的非定常流场计算和多体动力学计算的耦合计算的初始条件。4.根据权利要求3所述的基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法，其特征在于，步骤S3包括：(1)多体动力学计算模块解除桨叶飞脱的旋转约束，并根据步骤S1输入的桨叶飞脱的动力学参数以及步骤S2计算得到的桨叶飞脱初始位置下的飞脱桨叶动力学...

【专利技术属性】
技术研发人员：马率，刘钒，肖中云，王建涛，张露，崔兴达，王子维，郭永恒，陈波，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：