旋翼柔性多體系統(tǒng)氣動(dòng)彈性研究.pdf

1、柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法在旋翼氣彈動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)，為能建立旋翼多體系統(tǒng)氣彈動(dòng)力學(xué)模型，不論是柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法還是旋翼動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)建模都需要作相應(yīng)的改進(jìn)。
　　本文開展了旋翼多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法研究，發(fā)展了可用于氣彈分析的旋翼多體系統(tǒng)氣彈動(dòng)力學(xué)分析方法與程序，對(duì)分析方法各部分的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，并將旋翼多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用于旋翼氣彈分析中。
　　本文首先建立了一種能夠在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中

2、應(yīng)用，且適合于氣彈分析的高精度槳葉動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算精度進(jìn)行了驗(yàn)證。模型修正了槳葉預(yù)扭引起的剖面坐標(biāo)基矢量非正交對(duì)應(yīng)變能的影響，采用了準(zhǔn)確的變形運(yùn)動(dòng)非線性幾何關(guān)系，應(yīng)變、動(dòng)能以隱式表達(dá)并可采用位移有限元離散。為便于在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中與其它構(gòu)件組合，通過代入數(shù)值后逐級(jí)展開提取了質(zhì)量矩陣。由于槳葉與其它構(gòu)件對(duì)接時(shí)對(duì)接面處約束力做功的計(jì)算過程和氣動(dòng)載荷做功一致，將約束力直接作為L(zhǎng)agrange乘子，最終得到含有對(duì)接面約束力

3、的槳葉構(gòu)件動(dòng)力學(xué)方程。此外在高精度槳葉動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)各環(huán)節(jié)的表達(dá)式進(jìn)行精度的截?cái)啵玫搅艘环N計(jì)算量較小，在小變形等情況下也足夠準(zhǔn)確的二階精度槳葉動(dòng)力學(xué)模型，用于模擬變距搖臂等彈性變形較小的構(gòu)件。通過對(duì)模型槳葉加載后非線性變形的計(jì)算，變形狀態(tài)下模型槳葉的頻率計(jì)算，復(fù)合材料異形槳葉固有模態(tài)的計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了本文建立的高精度槳葉動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。
　　通過合并構(gòu)件動(dòng)力學(xué)方程并以約束方程體現(xiàn)構(gòu)件之間的連接關(guān)系，建立旋翼多體系

4、統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制方程，并將旋翼氣動(dòng)載荷處理為非約束力元，以非完整約束的形式并入控制方程。通過建立鉸鏈動(dòng)力學(xué)方程和含鉸鏈構(gòu)件動(dòng)力學(xué)方程，使識(shí)別非獨(dú)立自由度的過程簡(jiǎn)化，約束方程的列寫形式統(tǒng)一。旋翼連續(xù)旋轉(zhuǎn)造成角位移約束方程求解中出現(xiàn)奇點(diǎn)，選擇在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中建立以Rodriguez參數(shù)表示的角位移約束方程，相對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)始終為小量，從而避免了奇點(diǎn)的出現(xiàn)。旋翼氣動(dòng)力的計(jì)算采用非定常與動(dòng)態(tài)失速模型和自由尾跡模型，通過對(duì)分布載荷做功表達(dá)式的分析，

5、將旋翼氣動(dòng)力轉(zhuǎn)換為一種非約束力元，在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中體現(xiàn)為一組非完整約束，從而使氣動(dòng)力的計(jì)算過程獨(dú)立于槳葉構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)建模，便于氣動(dòng)力計(jì)算中根據(jù)自身模型的需求設(shè)定計(jì)算步長(zhǎng)和求解格式。
　　旋翼多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制方程以廣義坐標(biāo)分離法進(jìn)行縮并，得到只含有獨(dú)立自由度的非線性剛性微分方程，發(fā)展了一套適合于此類方程直接積分求解的局部間斷有限元積分方法。方程縮并中加入了約束協(xié)調(diào)模塊，解決了約束違約問題。研究了局部間斷有限元積分方法用于剛性

6、方程積分計(jì)算的穩(wěn)定性、阻尼和周期延遲等問題，并在積分方法中嵌入了Newton-Broyden組合法，解決了隱式求解格式中反復(fù)求取切線矩陣及其逆矩陣造成計(jì)算量過大的問題，顯著提高了計(jì)算效率的同時(shí)，尤其適合用于旋翼多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制方程這種難以得到關(guān)于狀態(tài)量Jacobi矩陣的方程求解瞬態(tài)響應(yīng)。
　　針對(duì)旋翼氣彈動(dòng)力學(xué)分析的需求，建立旋翼動(dòng)力學(xué)方程與氣動(dòng)力方程耦合求解的瞬態(tài)響應(yīng)以及周期穩(wěn)態(tài)響應(yīng)計(jì)算流程，研究了氣彈動(dòng)力學(xué)瞬態(tài)響應(yīng)分析法中，