一種降低旋翼槳葉振動和動應力水平的設計方法
2023-09-21 08:47:45
專利名稱：一種降低旋翼槳葉振動和動應力水平的設計方法
技術領域：
本發明屬於直升機技術領域，具體涉及ー種降低直升機旋翼槳葉振動和動應力水平的設計方法，可用於直升機低振動和動應力水平旋翼槳葉的設計。
背景技術：
旋翼是直升機上最為關鍵部件，並為直升機提供升力、推力和操作。而由於旋翼的周期性運動，使得直升機出現了嚴重的振動問題。乘員舒適性與任務工作效能、機體與構件的疲勞壽命、機上系統與設備的功能與可靠性和維護費用等均會受到振動的巨大影響。此 夕卜，振動還會限制直升機前飛速度與機動性能等。因此減振是進行直升機設計時需要考慮的重要問題之一。為了保障直升機的整體性能，各國航空組織對其減振的要求也越來越高，減振技術也成為了直升機設計的重點和難點問題。直升機減振技術的研究主要集中在三個方面，首先是控制和減小機身結構的振動；其次是減小旋翼傳遞到機身結構上的激振カ；最後是控制旋翼本身的激振力，由於旋翼是直升機產生振動問題的根源，所以降低旋翼本身的激振カ是減振最理想的目標。如何降低旋翼的激振カ是ー個極其複雜的問題，從80年代開始，各國學者對此開展了大量的研究，並得到了槳葉動力學調頻、槳葉模態優化和極小化漿轂載荷等方法。在這些方法中大部分都圍繞在旋翼槳葉設計中如何降低漿轂切力和カ矩進行。通過研究表明合理選擇頻率和陣型能夠使根切カ減小20%-40%,但是到目前為止，仍然難以得到ー個同時考慮揮舞、擺振和扭轉及其耦合運動的結構動力學模型和一個能夠準確模擬複雜空氣動カ環境的氣動模型，因此還無法在實際槳葉設計中應用。考慮到固有頻率是槳葉的特有屬性，並不涉及到氣動カ和槳葉振型，因此大量研究從如何避免共振的角度，通過合理控制槳葉的固有頻率以達到減振的目的，並且已經成為了目前重要的設計準則，但是在一般情況下固有頻率控制不能有效的控制漿轂カ大小，也就無法有效的達到減振和降低動應力水平的目的。
發明內容
本發明針對現有直升機減振設計方法的不足，考慮到直升機旋翼槳葉減振和降低動應力水平問題的複雜性，直接從工程應用的角度，引入了振動水平指數和振型節點位置控制等方法，提出了在槳葉外形參數和漿轂型式確定情況下降低直升機振動和動應力水平的設計方法。應用此方法設計槳葉展向質量和剛度分布，不但使槳根交變切カ最小，達到降低直升機振動水平的目的，還能夠控制動應カ大小改善槳葉疲勞情況。本發明的技術解決方案一種降低旋翼槳葉振動和動應力水平的設計方法，通過如下步驟實現(I)根據直升機旋翼槳葉提取設計變量，包括槳葉沿展向的質量和剛度分布，根據直升機旋翼強度要求確定設計變量的上限和下限；(2)以本發明提出的直升機旋翼槳葉振動水平指數作為目標函數，旋翼槳葉的振型節點位置要求為約束函數，建立降低直升機旋翼槳葉振動和動應力水平的槳葉優化設計模型；(3)對得到的槳葉優化設計模型進行求解，輸出槳葉設計參數，得到槳葉振動水平指數。本發明的特別之處在於基於工程應用的目的提出了振動水平指數，並且在採用此指數對旋翼槳葉進行減振設計的同吋，還考慮了振型節點位置的要求，從而建立了ー套新的低振動和動應力水平旋翼槳葉的優化設計方法。這樣就可以達到既能降低槳根切力，減小直升機旋翼的振動水平，又能改善疲勞狀況的目的。
本發明的優點在於(I)通過本發明提出的振動水平指數設計的槳葉能夠明顯降低槳根切力，減小直升機響應振動水平。(2)本發明提出的設計方法加入了振型節點位置的要求，因此通過此優化設計方法得到的槳葉還能夠改善槳葉的疲勞狀況。
圖I是本發明的降低直升機旋翼振動和動應力水平設計方法流程圖；圖2是原始槳葉和本發明設計槳葉的振型節點位置對比示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明提供的設計方法進行詳細說明。如圖I所示為本發明的降低旋翼槳葉振動和動應力水平設計方法流程圖，具體設計步驟如下第一歩，提取直升機旋翼槳葉的設計變量，包括槳葉沿展向的質量和剛度分布，根據直升機旋翼槳葉的強度要求確定設計變量的上限和下限。第二歩，以直升機旋翼槳葉振動水平指數作為目標函數，旋翼槳葉的振型節點位置要求為約束函數，建立降低直升機旋翼槳葉振動和動應力水平的槳葉優化設計模型。本發明在低振動旋翼動力學優化設計方法中，首次提出並採用了振動水平指數做為目標函數，並以此指數為目標函數，振型節點位置作為約束函數建立了一套新的降低旋翼振動和動應力水平的設計方法。下面對本發明提出的旋翼槳葉的優化設計方法中的目標函數和約束函數進行詳細說明。(I)本發明採用了反映直升機旋翼振動水平的振動水平指數作為目標函數。旋翼槳葉中，各階氣動力在槳根位置均會引起槳根切力，為了達到降低旋翼槳葉振動水平的目的，必須減小kQ諧波氣動カ所引起的槳根切力分量值。要得到根切力大小，首先必須知道氣動カ的情況，此處的核心思想是通過模態參數近似表示廣義氣動力，進而推導出ー個新的衡量旋翼槳葉振動的參數。首先得到各階氣動力引起的槳根切力，在槳葉外形參數和漿轂形式確定的情況下，kQ諧波氣動カ中的第i階廣義氣動カFi與模態參數可以採用近似的正比例關係表示，即下式
權利要求
1.一種降低旋翼槳葉振動和動應力水平的設計方法，其特徵在於 (1)根據直升機旋翼槳葉提取設計變量，包括槳葉沿展向的質量和剛度分布，根據直升機旋翼強度要求確定設計變量的上限和下限； (2)以本發明提出的直升機旋翼槳葉振動水平指數作為目標函數，旋翼槳葉的振型節點位置要求為約束函數，建立降低直升機旋翼槳葉振動和動應力水平的槳葉優化設計模型； 所述的槳葉優化設計模型如下 目標函數; 振型節點位置約束函數A =\x-X\ CJ0 ； 設計變量約束函數<Dt <D (i=l,2,3......n); 其中J(Z))為目標函數，即振動水平指數< e為振型節點位置要求約束,s為考慮的模態振型的階數；萬為設計變量，即展向質量和剛度分布(萬)為質量約束函數，即槳葉總質量不得大於原始槳葉的總質量Wtl ;/(萬)為自旋慣量約束函數，即自旋慣量不得小於原始槳葉自旋慣量值Itl的c倍，c根據設計需要而定；最後為設計變量約束函數Di,通過強度要求得到設計變量上限Aa和下限片； (3)對得到的槳葉優化設計模型進行求解，輸出槳葉設計參數，得到槳葉振動水平指數。
2.根據權利要求I所述的一種降低旋翼槳葉振動和動應力水平的設計方法，其特徵在於 所述的振動水平指數Vindrai如下
全文摘要
本發明公開了一種降低旋翼槳葉振動和動應力水平的設計方法，屬於直升機技術領域。本發明首先根據直升機旋翼槳葉提取設計變量，根據直升機旋翼強度要求確定設計變量的上限和下限；然後以直升機旋翼槳葉振動水平指數作為目標函數，旋翼槳葉的振型節點位置要求為約束函數，建立降低直升機旋翼槳葉振動和動應力水平的槳葉優化設計模型；最後對得到的槳葉優化設計模型進行求解，輸出槳葉設計參數，得到槳葉振動水平指數。通過本發明提出的振動水平指數設計的槳葉能夠明顯降低槳根切力，減小直升機響應振動水平。本發明提出的設計方法加入了固有頻率和振型節點的要求，因此通過此優化設計方法得到的槳葉還能夠改善槳葉的疲勞狀況。
文檔編號G06F17/50GK102663195SQ20121011301
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月17日 優先權日2012年4月17日
發明者任毅如, 向錦武, 張亞軍, 羅漳平, 郭俊賢 申請人:北京航空航天大學