[发明专利]一种降低旋翼桨叶振动和动应力水平的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于直升机技术领域，具体涉及一种降低直升机旋翼桨叶振动和动应力水平的设计方法，可用于直升机低振动和动应力水平旋翼桨叶的设计。

背景技术

旋翼是直升机上最为关键部件，并为直升机提供升力、推力和操作。而由于旋翼的周期性运动，使得直升机出现了严重的振动问题。乘员舒适性与任务工作效能、机体与构件的疲劳寿命、机上系统与设备的功能与可靠性和维护费用等均会受到振动的巨大影响。此外，振动还会限制直升机前飞速度与机动性能等。因此减振是进行直升机设计时需要考虑的重要问题之一。为了保障直升机的整体性能，各国航空组织对其减振的要求也越来越高，减振技术也成为了直升机设计的重点和难点问题。直升机减振技术的研究主要集中在三个方面，首先是控制和减小机身结构的振动；其次是减小旋翼传递到机身结构上的激振力；最后是控制旋翼本身的激振力，由于旋翼是直升机产生振动问题的根源，所以降低旋翼本身的激振力是减振最理想的目标。

如何降低旋翼的激振力是一个极其复杂的问题，从80年代开始，各国学者对此开展了大量的研究，并得到了桨叶动力学调频、桨叶模态优化和极小化浆毂载荷等方法。在这些方法中大部分都围绕在旋翼桨叶设计中如何降低浆毂切力和力矩进行。通过研究表明合理选择频率和阵型能够使根切力减小20％-40％，但是到目前为止，仍然难以得到一个同时考虑挥舞、摆振和扭转及其耦合运动的结构动力学模型和一个能够准确模拟复杂空气动力环境的气动模型，因此还无法在实际桨叶设计中应用。考虑到固有频率是桨叶的特有属性，并不涉及到气动力和桨叶振型，因此大量研究从如何避免共振的角度，通过合理控制桨叶的固有频率以达到减振的目的，并且已经成为了目前重要的设计准则，但是在一般情况下固有频率控制不能有效的控制浆毂力大小，也就无法有效的达到减振和降低动应力水平的目的。

发明内容

本发明针对现有直升机减振设计方法的不足，考虑到直升机旋翼桨叶减振和降低动应力水平问题的复杂性，直接从工程应用的角度，引入了振动水平指数和振型节点位置控制等方法，提出了在桨叶外形参数和浆毂型式确定情况下降低直升机振动和动应力水平的设计方法。应用此方法设计桨叶展向质量和刚度分布，不但使桨根交变切力最小，达到降低直升机振动水平的目的，还能够控制动应力大小改善桨叶疲劳情况。

本发明的技术解决方案：一种降低旋翼桨叶振动和动应力水平的设计方法，通过如下步骤实现：

(1)根据直升机旋翼桨叶提取设计变量，包括桨叶沿展向的质量和刚度分布，根据直升机旋翼强度要求确定设计变量的上限和下限；

(2)以本发明提出的直升机旋翼桨叶振动水平指数作为目标函数，旋翼桨叶的振型节点位置要求为约束函数，建立降低直升机旋翼桨叶振动和动应力水平的桨叶优化设计模型；

(3)对得到的桨叶优化设计模型进行求解，输出桨叶设计参数，得到桨叶振动水平指数。

本发明的特别之处在于基于工程应用的目的提出了振动水平指数，并且在采用此指数对旋翼桨叶进行减振设计的同时，还考虑了振型节点位置的要求，从而建立了一套新的低振动和动应力水平旋翼桨叶的优化设计方法。这样就可以达到既能降低桨根切力，减小直升机旋翼的振动水平，又能改善疲劳状况的目的。

本发明的优点在于：

(1)通过本发明提出的振动水平指数设计的桨叶能够明显降低桨根切力，减小直升机响应振动水平。

(2)本发明提出的设计方法加入了振型节点位置的要求，因此通过此优化设计方法得到的桨叶还能够改善桨叶的疲劳状况。

附图说明

图1是本发明的降低直升机旋翼振动和动应力水平设计方法流程图；

图2是原始桨叶和本发明设计桨叶的振型节点位置对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的设计方法进行详细说明。

如图1所示为本发明的降低旋翼桨叶振动和动应力水平设计方法流程图，具体设计步骤如下：

第一步，提取直升机旋翼桨叶的设计变量，包括桨叶沿展向的质量和刚度分布，根据直升机旋翼桨叶的强度要求确定设计变量的上限和下限。

第二步，以直升机旋翼桨叶振动水平指数作为目标函数，旋翼桨叶的振型节点位置要求为约束函数，建立降低直升机旋翼桨叶振动和动应力水平的桨叶优化设计模型。

本发明在低振动旋翼动力学优化设计方法中，首次提出并采用了振动水平指数做为目标函数，并以此指数为目标函数，振型节点位置作为约束函数建立了一套新的降低旋翼振动和动应力水平的设计方法。下面对本发明提出的旋翼桨叶的优化设计方法中的目标函数和约束函数进行详细说明。