【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人飞行器气动力学领域，具体说是一种基于pod降阶模型的桨叶流固耦合方法。
技术介绍
1、传统固定翼飞行器具有飞行速度快，任务载荷大，适应范围广的特点，但对场地要求高，需要建设好跑道，因此在相对复杂的环境下，不适宜进行任务部署。而旋翼飞行器(直升机，多旋翼飞行器)更适用于小范围、高机动的使用要求。
2、倾转旋翼机是一种介于直升机和固定翼飞机之间的新概念旋翼飞行器，它集旋翼机和螺旋桨飞机的优点于一身，使其不仅拥有着比常规旋翼机高得多的前飞速度，又兼顾着螺旋桨飞机不具备的垂直起降和悬停能力，能满足多种飞行任务的需要，极大地拓展了旋翼机和固定翼飞行器的飞行包线，具有十分广泛的用途。
3、目前，相对成熟的倾转旋翼飞行器有xv-15倾转旋翼机、ba-609倾转旋翼机、v-22倾转旋翼机、v-280倾转旋翼机等。其中v-280倾转旋翼机由贝尔直升机公司和洛马公司联合研制，是目前最新的技术验证机。其原理主要是通过倾转机翼两端的旋翼短舱，以实现倾转旋翼机直升机模态和固定翼模态的转换。直升机模态下，两个短舱垂直与地面，旋翼旋转平面与地面平行，直升机模态飞行时，通过两副反向对转的旋翼系统保持姿态平稳。当以直升机模态从地面爬升一定高度后，短舱向前倾转，转为高速平飞的固定翼模态。通过上述方式，v-280兼顾了垂直起降、空中悬停和高速前飞的特点。
4、但是，倾转旋翼机在设计过程中，旋翼的气动力计算在设计过程中至关重要，直接关乎到倾转旋翼机的在直升机模态和固定翼性能。而实际设计过程中，因为桨叶旋转过程中会发
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种考虑桨叶变形的旋翼气动力预测的方法，通过一定量的仿真计算，建立气动力降阶模型来预估不同参数下的桨叶气动力，辅以csd模型，建立桨叶流固耦合模型，预测旋翼气动力，提升旋翼气动力计算的速度和精度以克服上述现有技术中存在的问题。
2、本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于pod降阶模型的桨叶流固耦合方法，包括以下步骤：
3、1)根据桨叶变形的关键参数变量的构型所形成约束条件，设定各个关键参数变量所对应的变化范围，并采用拉丁超立方法，建立基于关键参数变量的采样空间；
4、2)通过流体仿真软件，采用cfd仿真法，获取采样空间上流场的流场气动力数据；并根据流场气动力数据，建立采样空间上的流场降价模型；
5、3)根据采样空间上的流场降价模型，获取得到流场的速度场与压力场，通过积分运算的方式，获取桨叶的初始气动力；
6、4)在流场降阶模型的基础上，以松耦合的方式结合桨叶离散模型进行耦合，重新求解桨叶气动力，直至收敛，并提取桨叶气动力。
7、所述关键参数变量，包括：旋翼入流、旋翼总距、桨叶扭转角。
8、所述以松耦合的方式结合桨叶csd模型，重新求解桨叶气动力，具体为：
9、(1)将获取到的桨叶表面的气动力输入至csd模块中，以使桨叶发生弹性形变；
10、(2)建立桨叶csd模型，即桨叶离散模型，计算桨叶弹性变形后形成的剖面气动力；
11、(3)基于流场降阶模型与桨叶离散模型进行耦合，判断获取到的桨叶表面的气动力是否满足收敛条件，若满足提取该桨叶表面的气动力，不满足重新执行步骤(1)～步骤(3)。
12、所述步骤(2)，包括以下步骤：
13、a.建立旋翼的桨叶动力学方程；
14、b.针对timoshenko梁建立梁单元模型，获取每个梁单元模型的节点自由度；
15、c.对自由度进行插值处理；
16、d.采用有限元法对结构进行动力学求解，对桨叶结构进行离散，得到结构动力学方程，即桨叶离散模型。
17、所述建立旋翼的桨叶动力学方程，具体为：
18、采用hamilton变分原理建立旋翼的桨叶动力学方程，即：
19、
20、其中，u为桨叶应变能，t桨叶动能为，w桨叶外力做功。
21、所述针对timoshenko梁建立梁单元模型，获取每个梁单元模型的节点自由度，具体为：
22、针对timoshenko梁建立梁单元模型，其自由度为20。其中每个单元的中间节点有4个自由度，两端节点各有8自由度，包含挥舞、摆振方向的位移(q1，q2)和转角(q1′，q2′)，扭转位移φ和拉伸位移q3，以及2个方向的界面剪切自由度
23、所述对自由度进行插值处理，具体为：
24、其中，对于转角自由度(q1′，q2′)，采用了两节点的hermite插值，其他自由度采用三节点的lagrange插值。
25、所述采用有限元法对结构进行动力学求解，对桨叶结构进行离散，得到结构动力学方程，即桨叶离散模型，为：
26、
27、其中，m为质量阵，c为阻尼阵，k为刚度阵，q分别为有限元节点的加速度、速度、位移向量，q为外载荷向量，即气动载荷。
28、所述步骤(3)，具体为：
29、采用松耦合的方式，每经过一个旋转周期，将桨叶降阶模型与桨叶离散模型进行耦合，进行数据交换，判断桨叶弹性变形后的剖面气动力与初始气动力之间是否存在差异；
30、若存在差异，重新执行步骤将该桨叶气动力传输至csd模块；若不存在差异，则提取该剖面气动力作为最终的桨叶气动力，完成考虑桨叶变形的气动力计算。
31、本专利技术具有以下有益效果及优点：
32、1.本专利技术的气动力预估方法，采用pod降阶模型，保留了cfd计算方法的精度，提高了参数变化下气动力预估的效率；
33、2.本专利技术采用拉丁超立方方法，最小化采样空间，降低模型建立过程的计算量，提高模型生成的计算效率。同时，拉丁超立方采样的特性，可以在较少抽样的情况下得到更均匀分布的样本值，有利于本征正交分解法的实现。
34、3.本专利技术中的本征正交分解法，可以从高阶的复杂流动中，提取出仅包含关键特征的降阶模型，大大降低了设计过程中所产生的计算量，并能极大的提高参数变化下的计算效率。
35、4.本专利技术中的流固耦合计算方法，通过cfd/csd耦合计算与timoshenko梁单元模型提升了旋翼的气动力计算精度。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于POD降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于POD降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，所述关键参数变量，包括：旋翼入流、旋翼总距、桨叶扭转角。
3.根据权利要求1所述的一种基于POD降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，所述以松耦合的方式结合桨叶CSD模型，重新求解桨叶气动力，具体为：
4.根据权利要求3所述的一种基于POD降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，所述步骤(2)，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于POD降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，所述建立旋翼的桨叶动力学方程，具体为：
6.根据权利要求4所述的一种基于POD降阶模型的桨叶流固耦合方法，所述针对Timoshenko梁建立梁单元模型，获取每个梁单元模型的节点自由度，具体为：
7.根据权利要求4所述的一种基于POD降阶模型的桨叶流固耦合方法，所述对自由度进行插值处理，具体为：
8.根据权利要求4所述的一种基于POD降阶模型的桨叶流固耦合方法，所述
9.根据权利要求3所述的一种基于POD降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，所述步骤(3)，具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于pod降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于pod降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，所述关键参数变量，包括：旋翼入流、旋翼总距、桨叶扭转角。
3.根据权利要求1所述的一种基于pod降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，所述以松耦合的方式结合桨叶csd模型，重新求解桨叶气动力，具体为：
4.根据权利要求3所述的一种基于pod降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，所述步骤(2)，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于pod降阶模型的桨叶流固耦合方法，其特征在于，所述建立旋...
【专利技术属性】
技术研发人员：何玉庆，谷丰，杜心田，于利，孙晓舒，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。