一种分布式多旋翼飞行器气弹分析方法技术

本发明专利技术提供了一种分布式多旋翼飞行器气弹分析方法。在机翼根部与机身连接点处建立相对惯性坐标系X

【技术实现步骤摘要】
一种分布式多旋翼飞行器气弹分析方法


[0001]本专利技术涉及直升机旋翼动力学
，特别涉及一种分布式多旋翼飞行器气弹分析方法。

技术介绍

[0002]分布式多旋翼飞行器具有垂直起降、倾转过渡以及高速前飞等典型飞行模式，特别地，倾转过渡和高速前飞状态是这种构型飞行器动力学问题最严重的状态。
[0003]为了提高前飞状态的巡航效率，飞行器机翼采用大展弦比设计，导致机翼结构柔性增加，且由于采用分布式多旋翼构型，有多点的集中载荷和质量分布存在，这致多旋翼/机翼耦合动力学系统呈现结构振动模态频率密集、模态振型复杂等特点。在机翼动态倾转过渡状态，一方面，非定常气动力作用显著，尾迹动态弯曲，存在复杂的螺旋桨/机翼气动干扰作用，另一方面，高速旋转的螺旋桨随机翼大角度倾转运动过程中会产生显著的回转陀螺效应，从而形成复杂的气动/弹性/惯性耦合作用，气弹耦合作用将主导倾转过渡过程的动力学行为。在高速前飞状态，机翼在升力面方向的结构支撑刚度明显降低，大展弦比机翼结构变形显著，联接在机翼外端的螺旋桨受机翼结构形变或振动的惯性耦合作用将非常强烈，会引起螺旋桨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式多旋翼飞行器气弹分析方法，其特征在于，在机翼根部与机身连接点处建立相对惯性坐标系X
I
Y
I
Z
I
；通过转换矩阵在相对惯性坐标系中描述桨叶、短舱和机翼的运动；基于Hamilton原理，根据运动描述推导出桨叶、短舱和机翼能量变分，进而建立多桨/倾转机翼耦合系统的动力学方程。2.根据权利要求1所述的分布式多旋翼飞行器气弹分析方法，其特征在于，所述的相对惯性坐标系建立如下：以机翼根部与机身连接点处为原点建立地面固定惯性坐标系。3.根据权利要求1所述的分布式多旋翼飞行器气弹分析方法，其特征在于，转换矩阵包括：机翼变形坐标系X
W
Y
W
Z
W
转换到相对惯性坐标系X
I
Y
I
Z
I
所使用的矩阵T
WI
，旋翼短舱坐标系X
P
Y
P
Z
P
转换到机翼变形坐标系X
W
Y
W
Z
W
所使用的矩阵T
PW
，桨毂不旋转坐标系X
H
Y
H
Z
H
转换到旋翼短舱坐标系X
P
Y
P
Z
P
所使用的矩阵T
HP
，桨毂旋转坐标系X
R
Y
R
Z
R
转换到桨毂不旋转坐标系X
H
Y
H
Z
H
所使用的矩阵T
RH
，桨毂平面坐标系X
U
Y
U
Z
U
转换到桨毂旋转坐标系X
R
Y
R
Z
R
所使用的矩阵T
UR
，桨毂旋转坐标系X
R
Y
R
Z
R
转换到桨叶未变形坐标系X
B
Y
B
Z
B
所使用的矩阵T
RB
和桨叶未变形坐标系X
B
Y
B
Z
B
转换到桨叶变形坐标系所使用的矩阵T
BD
。4.根据权利要求3所述的分布式多旋翼飞行器气弹分析方法，其特征在于，所述的能量变分包括应变能变分、动能变分和气动力虚功变分；其中，桨叶的应变能变分、动能变分的推导如下：推导如下：其中，为桨叶在相对惯性坐标系中的矢径，为桨叶剖面上任一点到旋翼桨毂中心的矢径，为桨毂中心在旋翼短舱坐标系中的矢径，为短舱旋转中心在机翼变形坐标系中的矢径，为机翼短舱连接点在机翼未变形坐标系中的矢径；为桨叶在惯性坐标系中的速度，为桨叶自身速度，为机翼引起的牵连速度，为桨叶平动速度，为桨毂转动引起的桨叶运动速度，为机翼转动引起的桨叶运动，为机翼转动引起的机翼运动，为机翼平动速度。其中分别为惯性坐标系X
I
Y
I
Z
I
基矢量；U
x
、U
y
、U
z
分别为桨叶在惯性坐标系各坐标方向上的速度分量；通过积分求得桨叶的应变能及其变分U
b
、δU
b
和动能及其变分T
b
、δT
b
表达式如下：表达式如下：表达式如下：
上式中：ε
xη
,由扭转变形引起的切应变；εxx，由拉伸、弯曲、扭转共同引起的正应变；σ
xη
,由扭转变形引起的切应力；σ
xx
，由拉伸、弯曲、扭转共同引起的正应力；ρ为桨叶线密度，R为桨叶半径；为桨叶速度变分；dx、dη、分别为桨叶变形坐标系的坐标微分；u、v、v
′
、v
″
、w、w
′
、w
″
、分别为桨叶自由度；δu
e
、δv、δv
′
、δv
″
、δw、δw
′
、δw
″
、为桨叶自由度变分；U
v
′
、U
w
′
、U
v
″
、U
w
″
、分别为桨叶在桨叶自由度上的应变能；T
u
、T
v
、T
w
、T
v
′
、T
w
′
分别为桨叶在桨叶各自由度上的动能，T
F
为桨叶动能非线性项；x
h
、y
h
、z
h
、Φ
h
、α
h
、ψ
h
分别为机翼与短舱连接点的自由度；δx
h
、δy
h
、δz
h
、δΦ
h
、δα
h
、δψ
h
分别为机翼与短舱连接点的自由度变分；分别为桨叶在机翼与短舱的连接点各自由度上的动能。5.根据权利要求4所述的分布式多旋翼飞行器气弹分析方法，其特征在于，短舱的动能变分的推导如下：变分的推导如下：其中，为短舱上任一点在相对惯性坐标系中的矢径，为短舱旋转中心在机翼变形坐标系中的矢径，为机翼短舱连接点在机翼未变形坐标系中的矢径；为短舱上任意点在短舱坐标系中的矢径；为短舱在惯性坐标系中的速度，为机翼转动引起的机翼运动，为机翼平动速度。为惯性坐标系X
I
Y
I
Z
I
基矢量；U
x
、U
y
、U
z
分别为短舱在惯性坐标系各坐标方向上的速度分量；通过积分求得短舱动能及其变分T
p
、δT
p
表达式如下：表达式如下：上式中：m
p
为短舱密度，为短舱速度变分；dx、dy、dz分别为短舱坐标系X
P
Y
P
Z
P
的坐标微分；x
h
、y
h
、z
h
、Φ
h
、α
h
、ψ
h
分别为机翼与短舱连接点的自由度；δx
h
、δy
h
、δz
h
、δΦ
h
、δα
h
、δψ
h
分别为机翼与短舱连接点的自由度变分；分别为短舱在机翼与短舱的连接点各自由度上的动能。6.根据权利要求4所述的分布式多旋翼飞行器气弹分析方法，其特征在于，机翼的的应变能变分、动能变分的推导如下：
其中，为机翼机翼上任一点在机翼未变形坐标系中的矢径；为机翼在惯性坐标系中的速度，为机翼转动引起的机翼运动，为机翼平动速度。分别为惯性坐标系X
I
Y
I
Z
I
基矢量；U
x
、U
y
、U
z
分别为机翼在惯性坐标系各坐标方向上的速度分量；通过积分求得桨叶的应变能及其变分U
w
、δU
w
和动能及其变分Tw、δT
w
表达式如下：表达式如下：表达式如下：上式中：ε
xη
,由扭转变形引起的切应变；ε
xx
，由拉伸、弯曲、扭转共同引起的正应变；σ
xη
,由扭转变形引起的切应力；σ
xx
，由拉伸、弯曲、扭转共同引起的正应力；ρ为机翼线密度，R为机翼半展长；为机翼速度变分；dx、dη、分别为机翼变形坐标系X
W
Y
W
Z
W
的坐标微分；u、v、v
′
、v
″
、w、w
′
、w
″
、分别为机翼自由度；δu、δv、δv
′
、δv
″
、δw、δw
′
、δw
″
分别为机翼自由度变分；U
u
’
、U
v
’
、U
w
’
、U
v”、U
w”、分别为机翼在机翼自由度上的应变能；T
u
、T
v
、T
w
、T
v
′
、T
w
′
分别为机翼在机翼各自由度上的动能，T
F
为机翼动能非线性项。7.根据权利要求4所述的分布式多旋翼飞行器气弹分析方法，其特征在于，桨叶的气动力虚功变分推导如下：在桨叶变形坐标系下翼型剖面气流合速度为：上式中：为来流速度和桨盘入流贡献的速度，为桨叶和机翼耦合运动的贡献的速度；分别为桨叶变形坐标系基矢量；U
R
，径向气流速度，气流沿桨叶向内流动为正；U
T
，切向气流速度，气流沿翼型前缘流向后缘为正，当(U
T
＜0)为反流区，(U
T
＞0)为正流区，在程序中利用(U
T
＜0)作为反流区的判...

【专利技术属性】
技术研发人员：程毅，赵金瑞，余智豪，邓旭东，周云，宋彬，魏武雷，程起有，
申请(专利权)人：中国直升机设计研究所，
类型：发明
国别省市：