复合材料旋翼桨叶参数化建模与减振优化方法研究

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如何降低振动水平一直是直升机研制过程中最为关键的问题之一,利用动力学优化技术,通过动响应设计减小旋翼桨叶振动载荷,最终减小机体振动水平是最为有效的、代价最小的方法,也是目前直升机动力学设计研究的重要发展方向之一。本文提出了一种基于旋翼桨叶参数化模型的动力学优化方法及减振设计方法,并针对其中的关键问题开展研究,完成了如下工作:(1)提出了一种典型复合材料桨叶剖面的有效的参数化描述与建模方法,实现了桨叶气动外形、内部结构组件及物理特性的参数化;同时结合桨叶剖面特性的有限元分析方法,建立了典型复合材料桨叶剖面的有限元网格自动剖分方法。以复合材料盒型梁和“海豚”直升机复合材料桨叶为例,进行了参数化方法的计算分析,剖面特性计算结果与国外分析结果和试验数据吻合良好,验证了本文参数化方法的正确性。(2)发展了适合于旋翼动力学优化的非线性动力学模型和动响应、剖面振动载荷计算方法。首先,基于Hodges的中等变形旋转梁理论,获得了桨叶挥舞-摆振-扭转-拉伸全耦合非线性控制方程和有限元计算模型;然后,建立了基于预定气动载荷的旋翼桨叶的非线性稳态平衡计算方法、稳态周期响应计算方法,以及模态-力积分混合的旋翼桨叶振动载荷计算方法;最后进行了模型验证,非线性静力变形、动特性、桨叶剖面振动载荷计算,通过了Princeton梁、3种模型桨叶和SA349/2直升机试验或飞行实测数据的验证,计算结果与实测数据吻合良好,从而验证了方法的有效性。(3)发展了旋翼桨叶的模态修型减振设计方法,提出了旋翼动力学多目标优化策略;最后实现了某型模型旋翼和SA-349/2旋翼的动力学优化,减振效果明显,方案合理可行,验证了旋翼动力学优化方法的有效性。
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