【技术实现步骤摘要】
：本专利技术属直升机旋翼设计领域，涉及一种大变形桨叶结构动力学建模方法。
技术介绍
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技术介绍
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1、现代直升机旋翼采用前突后掠等先进气动布局设计，桨叶弹性变形将显著增大，而且对于大吨位直升机(比如13吨以上的大型及重型直升机)，旋翼尺寸大和转速低，桨叶结构将出现挥舞变形量w与旋翼半径r的比值w/r超过30％的大变形状态。
2、目前直升机旋翼桨叶结构建模通常基于中等变形梁模型或几何精确梁模型，中等变形梁模型无法精确描述桨叶结构大变形，几何精确梁模型则存在理论公式复杂，计算效率低，且在处理前突后掠桨叶等折梁模型时十分繁琐等问题。
技术实现思路
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技术实现思路
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1、本专利技术的目的是：为了解决现有技术无法有效实现大变形桨叶结构建模问题，本专利技术基于多体动力学浮动坐标系方法，把桨叶分成若干个多体构件，利用多体构件浮动坐标描述桨叶段大范围平动和任意转动，并利用约束方程处理任意前突、后掠及下反桨叶的组集问题，该方法可在统一的笛卡尔多体动力学框架下，精确且方便地处理桨叶结构大变形问题。
2、本专利技术的技术方案是：
3、一种大变形桨叶结构动力学建模方法，将桨叶分成若干直梁段，在每个桨叶直梁段的指向桨根区域的左端点建立一个浮动坐标系，通过浮动坐标系的3个平动自由度和3个转动自由度，分别描述桨叶直梁段的大范围刚体运动和任意角度转动，桨叶直梁段的弹性变形则相对于浮动坐标系来描述，通过悬臂式对接约束方程进行连接变形协调，从而把桨叶梁结
4、一种大变形桨叶结构动力学建模方法，包括以下步骤：
5、步骤1根据桨叶气动布局外形，把整片桨叶分成若干直梁段多体单元；
6、步骤2根据桨叶结构剖面特性参数，进行桨叶结构有限元节点划分；
7、步骤3基于多体动力学浮动坐标系方法，计算每个桨叶直梁段多体单元的质量阵me和广义惯性力向量qev；
8、步骤4基于中等变形梁模型，计算桨叶直梁段单元弹性广义力向量qes；
9、步骤5计算桨叶外部广义主动力qef；
10、步骤6根据各桨叶直梁段之间的悬臂式对接关系，计算平动约束和转动约束方程右端项值；
11、步骤7计算步骤6中约束方程对应的约束雅克比矩阵；
12、步骤8将各桨叶梁段单元质量阵me和单元广义力向量qe以及约束雅克比矩阵cq，按照多体动力学方法组集形成整片桨叶的系统方程组daes；
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14、步骤9针对步骤8得到的系统方程组，选取系统独立广义坐标qi，将非独立广义坐标qd予以消除，将微分-代数方程组daes化解为常微分方程组odes；
15、步骤10求解步骤9得到的odes方程组，得到桨叶变形及响应。
16、所述步骤1桨叶气动布局外形包括桨叶前后掠角度λs和上下反角度λa，前后掠和上下反的转折点作为多体单元节点。
17、所述步骤2桨叶结构特性参数包括桨叶剖面线质量mass、剖面挥舞刚度eiflap、剖面摆振刚度eilag，剖面扭转刚度gj。
18、所述步骤3多体动力学浮动坐标系方法，是把桨叶运动分解为浮动坐标系的刚体运动，和相对于浮动坐标系的弹性变形两部分叠加的动力学建模方法，桨叶总的运动用刚柔耦合混合坐标来表达，其中r是刚体平动自由度，θ是转动自由度，qf是弹性变形自由度。
19、所述步骤3每个桨叶直梁段多体单元的质量阵me和广义惯性力向量qev的计算方法：
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21、其中，"sys"表示矩阵是对称矩阵，ι3是3×3单位阵，a是浮动坐标系方向余弦阵，是相对于浮动坐标系的位置向量，是向量的反对称矩阵，是姿态坐标导数向量与角速度向量的系数矩阵，s是中等变形梁形函数矩阵，ρ是桨叶体密度；下标r代表刚体平动自由度，下标θ代表刚体转动自由度，下标f代表弹性自由度，mrr表示刚体平动项，mθθ表示刚体转动项，mff表示弹性变形项，mrθ表示刚体平动和刚体转动耦合项，mrf表示刚体平动和弹性变形耦合项，mθf表示刚体转动和弹性变形耦合项；qev是单元广义惯性力，qvr表示刚体平动项，qvθ表示刚体转动项，qvf表示弹性变形项。
22、所述步骤4中等变形梁模型具有拉伸u、摆振v、挥舞w、扭转φ弹性变形运动，并采用15自由度进行有限元离散，包括4个拉伸自由度，4个摆振自由度，4个挥舞自由度和3个扭转自由度。
23、所述步骤4中等变形梁弹性广义力向量qes计算方法：
24、qes＝[qu qv qw qφ]t
25、其中，qu表示拉伸弹性广义力，qv表示摆振弹性广义力，qw表示挥舞弹性广义力，qφ表示扭转弹性广义力。
26、所述步骤6各桨叶直梁段之间的悬臂式对接关系，用平动约束和转动约束方程表达式如下：
27、
28、其中，ri和rj分别是第i个和第j个桨叶段浮动坐标系原点位置矢量，和分别是第i个和第j个桨叶段浮动坐标系方向余弦阵，和分别是第i个和第j个桨叶段质点相对于浮动坐标系位置矢量，vk和vl分别是第i个和第j个桨叶段内的单位常矢量，aij是第i个和第j个桨叶段浮动坐标系转换矩阵，是第i个桨叶段弹性变形坐标系转换矩阵。
29、所述步骤7约束雅克比矩阵包括平动约束和转动约束雅克比矩阵表达式如下。
30、
31、其中，h1和h2分别是中等变形梁模型中平动自由度和转动自由度对应的形函数矩阵。
32、所述步骤8中的单元广义力向量qe是单元广义惯性力qev，广义弹性力qes和广义主动力qef三部分的叠加，计算公式如下：
33、qe＝qev+qes+qef。
34、一种大变形桨叶梁结构，其结构模型由上述任一项所述的建模方法设计而成。
35、本专利技术技术效果：
36、基于柔性多体动力学框架浮动坐标系方法，把桨叶分成若干直梁段，在每个桨叶直梁段的左端点建立一个浮动坐标系，通过浮动坐标系的3个平动自由度和3个转动自由度，分别描述桨叶直梁段的大范围刚体运动和任意角度转动，桨叶直梁段的弹性变形则相对于浮动坐标系来描述，因此桨叶直梁段在浮动坐标系中的弹性变形用中等变形或者小变形弹性模型描述；对于整片桨叶，将第n+1个桨叶直梁段的左端点，与第n个桨叶直梁段的右端点，通过悬臂式对接约束方程进行连接变形协调，从而把桨叶梁结构大变形运动，分解为浮动坐标系的大范围刚体运动或相对于浮动坐标系的中小弹性变形的叠加，最终实现桨叶结构大变形的精确描述。通过与有限元模型计算结果对比，以及极大变形状态与理论计算精确解对比，采用本专利技术方法，桨叶结构在大变形，乃至极大变形状态下，仍然是相当精确的，表明本专利技术方法可大大提高桨叶大变形状态下的结构模型计算精度，在桨尖变形量为30％情况下，计算精度提高为9.本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大变形桨叶结构动力学建模方法，其特征在于，将桨叶分成若干直梁段，在每个桨叶直梁段指向桨根区域的左端点建立一个浮动坐标系，通过浮动坐标系的3个平动自由度和3个转动自由度，分别描述桨叶直梁段的大范围刚体运动和任意角度转动，桨叶直梁段的弹性变形则相对于浮动坐标系来描述，通过悬臂式对接约束方程进行连接变形协调，从而把桨叶梁结构大变形运动，分解为浮动坐标系的大范围刚体运动或相对于浮动坐标系的中小弹性变形的叠加，最终实现桨叶结构大变形的精确描述。
2.根据权利要求1所述的一种大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤1桨叶气动布局外形包括桨叶前后掠角度Λs和上下反角度Λa，前后掠和上下反的转折点作为多体单元节点。
4.根据权利要求1所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤2桨叶结构特性参数包括桨叶剖面线质量MASS、剖面挥舞刚度EIFLAP、剖面摆振刚度EILAG，剖面扭转刚度GJ。
5.根据权利要求1所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征
6.根据权利要求4所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤3每个桨叶直梁段多体单元的质量阵Me和广义惯性力向量Qev的计算方法：
7.根据权利要求1所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤4中等变形梁模型具有拉伸u、摆振v、挥舞w、扭转φ弹性变形运动，并采用15自由度进行有限元离散，包括4个拉伸自由度，4个摆振自由度，4个挥舞自由度和3个扭转自由度。
8.根据权利要求7所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤4中等变形梁弹性广义力向量Qes计算方法：
9.根据权利要求1所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤6各桨叶直梁段之间的悬臂式对接关系，用平动约束和转动约束方程表达式如下：
10.根据权利要求1所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤7约束雅克比矩阵包括平动约束和转动约束雅克比矩阵表达式如下。
11.根据权利要求1所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤8中的单元广义力向量Qe是单元广义惯性力Qev，广义弹性力Qes和广义主动力Qef三部分的叠加，计算公式如下：
12.一种大变形桨叶梁结构，其特征在于，其结构模型由权利要求1至11任一项所述的建模方法设计而成。
...【技术特征摘要】
1.一种大变形桨叶结构动力学建模方法，其特征在于，将桨叶分成若干直梁段，在每个桨叶直梁段指向桨根区域的左端点建立一个浮动坐标系，通过浮动坐标系的3个平动自由度和3个转动自由度，分别描述桨叶直梁段的大范围刚体运动和任意角度转动，桨叶直梁段的弹性变形则相对于浮动坐标系来描述，通过悬臂式对接约束方程进行连接变形协调，从而把桨叶梁结构大变形运动，分解为浮动坐标系的大范围刚体运动或相对于浮动坐标系的中小弹性变形的叠加，最终实现桨叶结构大变形的精确描述。
2.根据权利要求1所述的一种大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤1桨叶气动布局外形包括桨叶前后掠角度λs和上下反角度λa，前后掠和上下反的转折点作为多体单元节点。
4.根据权利要求1所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤2桨叶结构特性参数包括桨叶剖面线质量mass、剖面挥舞刚度eiflap、剖面摆振刚度eilag，剖面扭转刚度gj。
5.根据权利要求1所述的大变形桨叶梁结构建模方法，其特征在于，所述步骤3多体动力学浮动坐标系方法，是把桨叶运动分解为浮动坐标系的刚体运动，和相对于浮动坐标系的弹性变形两部分叠加的动力学建模方法，桨叶总的运动用刚柔耦合混合坐标来表达，其中r是刚体平动...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓景辉，周云，黄水林，周文，邱志祥，
申请(专利权)人：中国直升机设计研究所，
类型：发明
国别省市：
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