[发明专利]一种降低复合材料旋翼桨毂振动载荷的方法

权利要求书

1.一种降低复合材料旋翼桨毂振动载荷的方法，其特征在于，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，包括桨叶惯量和固有频率，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；

步骤(3)～(6)具体的包括以下：

(3)应用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：

其中，下标a表示气动力模型；x_a是该气动力降阶模型的状态空间的状态变量；u_a为该状态空间的输入；y_a是状态空间的输出；k是离散时间第k步；A_a、B_a、C_a、D_a气动力降阶模型状态空间参数；

得到以结构的形变量为输入，以广义气动力y_a为输出的气动力降阶模型；

(4)对复合材料旋翼的结构有限元模型进行分析，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如下：

其中，下标s表示结构模型；x_s代表状态空间的状态变量；u为状态空间的输出，即广义位移；f为状态空间的输入，即外力；F为结构模型的有限元模型的模态；A_s’、B_s’、C_s’、D_s’是结构降阶模型状态空间参数；

(5)根据气动力降阶模型和结构降阶模型，得到气动弹性模型，具体如下：

其中，q为动压；

通过分析该气动弹性模型，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，将旋翼桨毂的振动载荷计算出来，具体如下：

通过F_f对x、y、z三个方向的投影，即可得到F_x、F_y、F_z。

2.根据权利要求1所述的一种降低复合材料旋翼桨毂振动载荷的方法，其特征在于：所述的步骤(7)以复合材料旋翼桨毂振动载荷为目标函数；以桨叶翼型典型剖面参数、复合材料铺层的角度和厚度作为设计变量；旋翼固有频率、桨叶惯量和临界颤振转速为约束函数；建立降低直升机旋翼桨毂载荷的优化模型，具体如下：

目标函数：min(f(D))；

其中：f(D)＝K₁F_x+K₂F_y+K₃F_z；

固有频率约束函数：

桨叶惯量约束函数：

临界颤振转速约束函数：

其中f(D)为目标函数，即桨毂振动载荷指数；F_x、F_y、和F_z分别代表桨毂载荷在x、y、z三个方向上的分量；ω_i为i阶模态的结构固有频率，为设计的频率上限，为设计的频率下限；g(D)为自旋惯量约束函数，即设计旋翼的自旋惯量值I_b不得小于原始桨叶自旋惯量值I₀；q(D)为临界颤振转速约束函数，即设计旋翼的桨叶转速Ω_b不得大于原始桨叶的临界颤振转速Ω₀。