[发明专利]一种直升机旋翼机体耦合系统模型及其应用

权利要求书

1.一种直升机旋翼机体耦合系统模型，其特征在于：所述的模型包括旋翼的结构模型、机体的结构模型和气动力模型，通过各模型的运动方程建立直升机旋翼和机体耦合系统的运动方程，求解所述运动方程得到直升机旋翼和机体耦合系统的动稳定性；

所述的旋翼的结构模型：

当直升机旋翼和机体耦合系统模型用来进行直升机旋翼和机体的参数研究和分析，此时在旋翼的结构模型建立中只考虑了基本的桨叶挥舞和摆振模态，采用桨叶等效刚体模型；而当需要确定直升机旋翼和机体耦合系统在前飞时的气动弹性稳定性和空中共振稳定性时，则采用的旋翼的结构模型为将连接在桨毂上的桨叶离散为若干个梁单元，相邻的两个梁单元之间的线位移和角位移是连续的，每一个梁单元有两个外节点和三个内节点，两个外节点分别有六个自由度，三个内节点均只有一个自由度，因此每一个梁单元具有十五个自由度；所述的机体的结构模型：

将直升机机身结构作为一个考虑了俯仰和滚转运动刚体模型，在悬停和前飞情况下，旋翼和机体模型绕各自的重心旋转；地面共振分析则采用机体模态瞬时转动中心作为机体的转动中心；当需要确定机体在直升机旋翼和机体耦合系统的振动特性时，则机体采用弹性机体模型，弹性机体模型也采用十五个自由度的梁单元结构，将机体质量均匀分布在梁单元上，机体由若干个梁单元组成，此时机体考虑三个方向上的平动和三个方向上的转动自由度；所述的气动力模型：

利用升力线理论计算桨叶剖面气动力，针对不同的状态采用不同的气动力模型，若评估低频状态下的直升机空中共振问题，采用动力入流模型；而对于扰动运动情况下，用涉及到非定常气动力效应的扩展Pitt/Peters动力入流模型；最后对于定常状态则采用定常入流模型。

2.根据权利要求1所述的一种直升机旋翼机体耦合系统模型，其特征在于：所述的桨叶等效刚体模型为：桨叶连接在旋翼中心处，将挥舞铰和摆振铰假设为弹簧约束，无铰式或无轴承旋翼桨叶等价为偏置铰接的弹簧约束的刚体桨叶。

3.一种权利要求1所述的直升机旋翼机体耦合系统模型的建立方法，其特征在于：

首先建立旋翼桨叶的挥舞和摆振运动方程，然后实施多桨叶坐标转换将旋转坐标系的桨叶运动自由度转换为旋翼整体运动自由度；

然后采用达朗贝尔原理建立机体运动方程；

最后将旋翼桨叶运动方程、机体运动方程和气动力模型方程联立组成直升机旋翼和机体耦合系统的运动方程组，即得到直升机旋翼和机体耦合系统的运动方程，此时旋翼与机体在同一个固定坐标系下，由此建立了直升机旋翼机体耦合系统的动力学模型。

4.一种权利要求1所述的直升机旋翼机体耦合系统模型的应用，其特征在于：采用特征值分析方法求解直升机旋翼机体耦合系统的动力学模型，得到直升机旋翼和机体耦合系统的动稳定性，具体步骤如下：

（1）首先要求出定常状态旋翼挥舞、摆振和机体的平衡值，即直升机旋翼和机体耦合系统的定常响应，在具体求解过程中采用先去掉与时间有关的量，然后求解平衡方程；

（2）采用平衡位置的小扰动假设，假设直升机旋翼和机体耦合系统在平衡位置有小扰动，然后根据扰动运动方程进行动稳定性求解，但是悬停和前飞情况下的动稳定性方程求解过程有所不同：

判断悬停状态的动稳定性时，由于扰动方程为常系数微分方程，通过求解矩阵特征值得到系统的模态特征值，特征值的虚部为模态频率，而实部则为模态阻尼，若实部为负，表示模态阻尼为负值，系统是稳定的，否则是不稳定的；

判断前飞时的直升机旋翼和机体耦合系统的的动稳定性时，由于扰动方程为含有周期系数的微分方程，采用Floquet理论求解，得到系统的模态阻尼和模态频率。

5.一种权利要求1所述的直升机旋翼机体耦合系统模型的应用，其特征在于：采用时域分析方法求解直升机旋翼机体耦合系统的动力学模型，得到直升机旋翼和机体耦合系统的动稳定性，具体步骤如下：

第一步，根据所建立的直升机旋翼和机体耦合系统的运动微分方程，对此微分方程在时域内进行积分，从而得到各个自由度随时间的响应曲线；

第二步，对上一步得到的时域响应曲线进行傅立叶变换得到频率响应曲线，从频率响应曲线中得到各个模态的频率；

第三步，最后采用移动矩形窗、包络线对数衰减率或者Prony曲线拟合方法得到模态的阻尼，从而完成了时域分析的过程，得到直升机旋翼和机体耦合系统的模态阻尼和模态频率判断系统的动稳定性。