[发明专利]一种降低复合材料旋翼桨毂振动载荷的方法

说明书

本发明公开了一种降低复合材料旋翼桨毂振动载荷的方法，采用桨叶典型剖面参数、复合材料铺层角度和厚度、等作为设计变量，以桨毂振动载荷为目标函数，以桨叶固有特性和临界颤振速度要求为约束条件，建立降低直升机旋翼桨毂振动载荷的优化模型；基于分级优化策略，采用复合形法和最优可行方向法对优化模型进行求解。

技术领域

本发明属于直升机技术领域，具体涉及一种降低复合材料旋翼桨毂振动载荷的方法，可用于直升机无铰式和无轴承式的低桨毂振动载荷复合材料旋翼桨叶的设计。

背景技术

旋翼是直升机关键结构部件，起产生升力、拉力和操纵等多重作用。旋翼的周期性运动，是直升机会产生振动的根源，降低旋翼的振动水平，对延长直升机的使用寿命、改善机组成员的舒适性和提高任务效能有积极的作用。因此，旋翼减振是直升机设计最需要考虑的问题之一。直升机减振研究主要集中在三个方面：减小旋翼本身的振动；减小旋翼传递到机身的激振力；控制旋翼本身的激振力。由于旋翼是直升机振动的根源，因此降低旋翼本身的激振力是最理想的设计目标。

复合材料在直升机上的应用为降低旋翼本身的激振力设计提供了一个重要的方向。通过复合材料剪裁设计合理利用旋翼挥舞、摆振、扭转等弹性耦合，从而提高直升机的动稳定性，并改善旋翼桨叶的振动水平。因此对于先进的直升机旋翼系统，通过复合材料旋翼桨叶的剪裁设计减小旋翼本身的激振力，以达到降低旋翼振动水平的设计方法成为了必然的选择。

桨毂是直升机机身最直接与旋翼桨叶连接的结构，并且桨毂载荷是旋翼激振力的重要指数，因此降低桨毂载荷是直升机减振设计有效的目标之一。传统的降低桨毂载荷的优化设计方法主要针对单盒或双盒梁截面的简化旋翼桨叶结构进行，这种方法显然不适用于复合材料旋翼的设计要求。另外，旋翼的气动力模型并不准确，不能精确进行旋翼气动弹性分析，因此无法对旋翼桨毂振动载荷进行有效的优化设计。

发明内容

本发明针对现有复合材料旋翼设计方法的不足，提出以具有C型翼梁、D型翼盒、前肋、后肋和蒙皮的梁模型模拟实际的复合材料旋翼桨叶的优化设计方法。优化模型的目标函数为桨毂振动载荷；设计变量包括桨叶翼型典型剖面、复合材料铺层等；约束函数包括旋翼固有特性和临界颤振转速等。

本发明的技术解决方案，一种降低复合材料旋翼桨毂振动载荷的方法，包括以下步骤：

(1)给定原型桨叶设计方案为初始设计方案，采用桨叶翼型典型剖面和复合材料铺层角度和厚度为设计变量；

(2)采用有限元方法计算初始模型的固有特性，并计算所述初始模型的结构模态；

(3)基于CFD技术计算各阶模态对应的广义气动力，得到气动力降阶模型，得到各阶广义气动力；

(4)基于复合材料旋翼的结构有限元模型，得到桨叶模型的动力学模型，进而得到结构模型的降阶模型；

(5)基于气动力降阶模型和结构降阶模型，得到气动弹性模型；通过分析该气动弹性模型，可得旋翼临界颤振转速；

(6)根据气动弹性模型，建立以结构位移为输入，桨毂所受力F_f为输出量的状态方程，计算旋翼桨毂振动载荷；

(7)以复合材料旋翼桨毂振动载荷为目标函数；以旋翼固有频率、桨叶惯量和临界颤振转速为约束函数；建立优化模型；

(8)求解优化模型，其中约束函数由第(2)步和第(5)步获得，目标函数由第(6)步计算；若所得解满足收敛条件，则结束；否则，以该解为初始设计方案，进行第(3)～(6)步，直到收敛为止；输出桨叶设计参数，即可得到满足设计要求的桨叶结构。

进一步的详细步骤为：

(1)给定原型桨叶设计方案为初始设计方案，采用桨叶翼型典型剖面和复合材料铺层角度和厚度为设计变量；