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本论文的研究目的是瞄准新构型先进旋翼气弹稳定性分析中存在的气动与结构强耦合大变形、非线性气弹稳定性问题,引入更为准确非定常气动力模型和结构动力学模型,构建旋翼系统动力学评估分析方法。论文的研究内容主要包括3部分:适用于旋翼气弹分析的非定常气动力研究;大变形、非线性复合材料梁理论和旋翼结构动力学建模;强耦合、非线性旋翼气弹稳定性分析方法及验证。
旋翼气动力研究分为两大部分:翼型剖面的气动力和旋翼入流。建立了一种适用于旋翼悬停和前飞状态的翼型二维非定常气动力模型,这种模型能够计入前行桨叶压缩性和后行桨叶动态失速的影响,具有较高的求解精度和求解效率。旋翼非定常入流建模,是在经典入流模型的基础上,建立一种能够体现非定常入流高阶变化特性的有限维动态入流模型,通过系统的参数研究,确定高阶特性对稳定性分析精度的影响规律,从而得到一种适用于高性能旋翼稳定性分析的可变阶次的非定常入流模型。
在旋翼结构动力学建模方面,针对新构型柔性结构旋翼的显著特征,充分考虑复合材料结构的大变形、非线性特点,以及复合材料各向异性所引起的梁截面横向剪切和三维翘曲效应,将大变形复合材料旋转梁的非线性运动方程解耦为二维的剖面特性分析以及一维的大变形分析。模型考虑了非线性粘弹阻尼器以及载荷多路传力等因素。
针对旋翼气弹稳定性分析中运动方程具有非线性周期时变的特点,建立了适用于稳定性分析和收敛性较好的数值求解方法。
本论文着力解决和突破了强耦合/非线性旋翼气弹稳定性分析中的非定常气动力、结构动力学建模和气弹稳定性分析方法问题。建立了旋翼的入流模型和气动弹性耦合的结构动力学模型,提出构建适用于大变形和强耦合条件下的旋翼气弹稳定性分析方法,形成能更为准确的评估直升机旋翼稳定性的能力。通过理论分析与试验数据的对比分析,验证了所建立的气弹稳定性分析方法的有效性,所形成的结构动力学模型、气动模型和稳定性分析方法具有很强的工程使用价值。