[發(fā)明專利]一種無鉸式旋翼槳葉模型及其鋪層設(shè)計方法

無效

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• 申請日: 2012-05-28
• 公開（公告）號: CN102722609A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 向錦武;任毅如;羅漳平;郭俊賢;張亞軍;黃明其
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 姜榮麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種無鉸式直升機(jī)復(fù)合材料旋翼槳葉氣彈穩(wěn)定性模型及其鋪層設(shè)計方法，可應(yīng)用于復(fù)合材料無鉸式直升機(jī)旋翼槳葉氣彈穩(wěn)定性設(shè)計。

背景技術(shù)

旋翼是直升機(jī)系統(tǒng)最重要的部件之一，由槳轂和槳葉等結(jié)構(gòu)組成。主要用來產(chǎn)生升力和操作力等，決定了直升機(jī)的飛行性能、飛行品質(zhì)和振動水平。旋翼槳葉的運(yùn)動極其復(fù)雜，除了本身繞槳轂的旋轉(zhuǎn)外，還有揮舞、擺振和變距運(yùn)動。為了實現(xiàn)三種運(yùn)動，最初的鉸接式直升機(jī)旋翼的槳轂上均設(shè)置了水平鉸、垂直鉸和變距鉸。后來也有為了取消垂直鉸采用了萬向接頭槳轂和蹺蹺板式槳轂，來簡化旋翼結(jié)構(gòu)。而無鉸式則進(jìn)一步取消了水平鉸，僅僅保留了變距鉸，并已在多個直升機(jī)旋翼系統(tǒng)中采用。雖然現(xiàn)在已出現(xiàn)了無軸承旋翼直升機(jī)，但是無鉸式直升機(jī)仍然是極其重要的一種旋翼結(jié)構(gòu)型式。

直升機(jī)旋翼技術(shù)的發(fā)展得益于復(fù)合材料的應(yīng)用，上世紀(jì)60年代德國MBB公司研制成玻璃纖維增強(qiáng)的玻璃鋼槳葉和70年代采用的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使得槳葉壽命從木質(zhì)材料的600h提高了10倍，甚至是無限壽命（20000h以上）。復(fù)合材料不但可以提高旋翼壽命，還能夠大大降低制造成本，因此現(xiàn)階段復(fù)合材料已經(jīng)成為了直升機(jī)的主要材料之一。

氣彈穩(wěn)定性是直升機(jī)的重要問題之一，由于無鉸式直升機(jī)旋翼中取消了揮舞鉸和擺振鉸，僅僅保留了變距鉸，使得旋翼槳葉動力學(xué)響應(yīng)更加復(fù)雜。復(fù)合材料在無鉸式直升機(jī)旋翼中被廣泛采用，因此出現(xiàn)了一些新的問題和現(xiàn)象，而且實際的無鉸式旋翼槳葉非常復(fù)雜，因此必須建立可靠的氣彈穩(wěn)定性模型。傳統(tǒng)的無鉸式模型將旋翼槳葉簡化為單一柔性梁，并將其對揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)耦合進(jìn)行近似處理，難以準(zhǔn)確得到氣彈穩(wěn)定性。而且復(fù)合材料鋪層方法會改變旋翼槳葉運(yùn)動耦合關(guān)系，從而改變旋翼氣彈穩(wěn)定性，因此需要建立考慮氣彈穩(wěn)定性的無鉸式復(fù)合材料旋翼槳葉鋪層設(shè)計方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對目前復(fù)合材料無鉸式直升機(jī)旋翼系統(tǒng)中的氣彈穩(wěn)定性問題，提出了一種無鉸式直升機(jī)復(fù)合材料旋翼槳葉模型及其鋪層設(shè)計方法。本發(fā)明無鉸式復(fù)合材料旋翼槳葉模型由槳轂、垂直柔性梁、水平柔性梁、主槳葉和變距鉸組成。垂直柔性梁直接固定連接在槳轂上，垂直柔性梁和水平柔性梁剛性連接，水平柔性梁則固定連接在主槳葉和垂直柔性梁之間。基于上述的旋翼槳葉模型，本發(fā)明還提出了無鉸式復(fù)合材料旋翼槳葉鋪層設(shè)計方法，該方法按照如下步驟進(jìn)行：

第一步，根據(jù)直升機(jī)旋翼槳葉的具體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和動強(qiáng)度要求，對垂直柔性梁和水平柔性梁進(jìn)行初步鋪層設(shè)計，給出設(shè)計空間。

第二步，建立旋翼槳葉氣彈穩(wěn)定性的動力學(xué)方程。

對指定槳葉設(shè)計參數(shù)計算二維截面特性和一維梁，一維梁包括了垂直柔性梁、水平柔性梁和主槳葉。一維梁計算中采用中等變形梁理論，氣動力模型采用準(zhǔn)定常理論，并通過Hamilton原理得到運(yùn)動方程。對主槳葉離散為若干個梁單元，，其中垂直柔性梁和水平柔性梁均離散為一個梁單元，梁單元具有2個端節(jié)點、3個內(nèi)節(jié)點共20個自由度；對槳葉結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散，然后結(jié)合運(yùn)動方程可得旋翼槳葉的動力學(xué)模型；

第三步，進(jìn)行氣彈穩(wěn)定性求解。消除動力學(xué)模型中與時間有關(guān)的項，并采用Newton-Raphson方法得到特征指數(shù)，即可判斷旋翼槳葉的穩(wěn)定性；

第四步，求解設(shè)計空間中的下一個設(shè)計點，重復(fù)第二步～第三步，直到設(shè)計空間的所有設(shè)計點均完成計算，即可得到每一種旋翼槳葉鋪層設(shè)計情況下的特征指數(shù)。

第五步，由設(shè)計空間N的n個設(shè)計點得到對應(yīng)的n個反映氣彈穩(wěn)定性的特征指數(shù)，建立一個氣彈穩(wěn)定性特征指數(shù)關(guān)于設(shè)計點的函數(shù)關(guān)系，求解此函數(shù)。滿足特征指數(shù)的實部小于0，并且最小時具有旋翼系統(tǒng)具有最佳的氣彈穩(wěn)定性，由此可以得到最佳的氣彈穩(wěn)定性所對應(yīng)的旋翼槳葉鋪層設(shè)計方案。

本發(fā)明提出的無鉸式直升機(jī)旋翼氣彈穩(wěn)定性模型及其鋪層設(shè)計方法，由于考慮了截面面內(nèi)和面外翹曲，能夠較為準(zhǔn)確的得到無鉸式旋翼槳葉的氣彈穩(wěn)定性。且采用本發(fā)明提出的鋪層設(shè)計方法能夠顯著提高旋翼槳葉的氣彈穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的無鉸式旋翼槳葉模型示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的無鉸式旋翼槳葉鋪層設(shè)計方法流程圖；

圖3是實施例中氣彈穩(wěn)定性特征指數(shù)隨鋪層角變化趨勢圖。

圖中:

1、槳轂；??????2、垂直柔性梁；????3、水平柔性梁；

4、主槳葉；????5、變距鉸；????????6、內(nèi)槳葉。

具體實施方式