[发明专利]一种降低复合材料旋翼动应力水平的设计方法

权利要求书

1.一种降低复合材料旋翼动应力水平的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：基于有限元方法计算降低直升机旋翼桨叶振动和动应力水平的桨叶初始设计模型的结构模态；

S2：基于计算流体模型软件和计算得到的桨叶初始设计模型的结构模态，以各阶模态振型广义位移为输入，计算各阶模态对应的广义气动力；

具体包括：

基于滤波白噪声建立各阶模态振型广义位移输入，基于计算流体力学软件计算各阶模态对应的广义气动力，基于外输入自回归模型得到气动力降阶模型的状态空间模型：

其中，下标A表示气动力降阶模型，x_A(j)表示气动力降阶模型的状态空间模型第k时间步的状态变量，x_A(j+1)表示气动力降阶模型的状态空间模型第k+1时间步的状态变量，A_A、B_A、C_A、D_A分别表示气动降阶模型的状态空间模型A、B、C、D矩阵，y_A(j)表示第j时间步的广义气动力，u_A(j)表示第j时间步的位移输入；基于所述状态空间模型，得到各阶模态的kΩ谐波气动力；

S3：基于计算得到的各阶模态对应的广义气动力，以直升机旋翼桨叶的振动水平指数为目标函数，以直升机旋翼桨叶的振型节点位置、质量、自旋惯量要求为约束函数，以直升机旋翼桨叶的复合材料铺层角度和厚度为设计变量，根据直升机旋翼强度要求确定所述设计变量的上限和下限，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；

具体包括：

基于计算得到的各阶模态对应的广义气动力，通过叠加的方法得到kΩ谐波气动力分量引起的桨根切力分量的近似比例，采用振动水平指数来定义目标函数，振动水平指数的数学模型如下：

其中，i表示第i阶模态；z表示所用模态阶数；F_ik表示kΩ谐波气动力中的第i阶广义气动力，通过气动力降阶模型得到；M_i表示模态质量；k表示谐波气动力阶数；Ω表示旋翼转速；ω_i表示第i阶固有频率，为固有频率的2π倍；ζ_Fi表示模态阻尼比；ρ表示空气密度；a表示桨叶二元升力线的斜率；c表示桨叶弦长；R表示旋翼桨盘半径；r表示桨叶的展向距离；表示桨叶的第i阶固有振型；m表示桨叶质量；

以O为原点位置，P为原始桨叶第i阶振型节点位置，P’为设计要求的第i阶振型节点位置，则原始桨叶第i阶振型节点位置P与原点位置O之间的距离为设计要求的第i阶振型节点位置P’与原点位置O之间的距离为则满足设计要求时，与之间的距离d_i应满足：

其中，ε表示设计要求的设计误差，p表示考虑模态的模态振型的阶数；

得到优化模型如下：

目标函数：min(J(D))；

振型节点位置约束函数：

质量约束函数：W(D)≤W₀；

自旋惯量约束函数：I(D)≤eI₀；

设计变量约束函数：

其中，J(D)表示振动水平指数；D表示设计变量复合材料铺层角度和厚度；W(D)表示质量约束函数，W₀表示原始桨叶的总质量；I(D)表示自旋惯量约束函数，I₀表示原始桨叶自旋惯量值，e表示约束的系数，D_v表示第v个设计变量，表示第v个设计变量的下限，表示第v个设计变量的上限，N表示设计变量的个数；

S4：对建立的桨叶优化设计模型进行求解，得到桨叶振动水平指数，输出优化后的桨叶设计变量。

2.如权利要求1所述的降低复合材料旋翼动应力水平的设计方法，其特征在于，步骤S4，对建立的桨叶优化设计模型进行求解，得到桨叶振动水平指数，输出优化后的桨叶设计变量，具体包括：

采用基于灵敏度分析优化和全局优化的优化设计方法，对建立的桨叶优化设计模型进行求解，得到桨叶振动水平指数，输出优化后的桨叶设计变量。