[发明专利]一种降低复合材料旋翼动应力水平的设计方法有效

专利信息
申请号: 202010661349.5 申请日: 2020-07-10
公开(公告)号: CN111950076B 公开(公告)日: 2023-04-07
发明(设计)人: 李道春;赵仕伟;阚梓;陈世泽;李华东;向锦武 申请(专利权)人: 北京航空航天大学
主分类号: G06F30/15 分类号: G06F30/15;G06F30/23;G06F30/28;G06F113/08;G06F113/26;G06F119/14
代理公司: 北京航智知识产权代理事务所(普通合伙) 11668 代理人: 黄川;史继颖
地址: 100191*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 降低 复合材料 旋翼动 应力 水平 设计 方法
【说明书】:

发明公开了一种降低复合材料旋翼动应力水平的设计方法,基于计算流体模型软件计算各阶模态的广义气动力,采用直升机旋翼桨叶的复合材料铺层角度和厚度作为设计变量,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,建立降低直升机旋翼桨叶振动和动应力水平的优化模型,基于灵敏度分析优化和全局优化的优化设计方法对优化模型求解,得到桨叶振动水平指数,输出优化后的桨叶设计变量。与现有方法中旋翼气动力模型不够准确,不能精确模拟旋翼的复杂空气动力环境相比,本发明基于降阶模型建立复合材料旋翼的气动力降阶模型的状态空间模型更加精确,可有效降低旋翼桨叶的动应力水平。

技术领域

本发明涉及直升机技术领域,尤其涉及一种降低复合材料旋翼动应力水平的设计方法。

背景技术

复合材料旋翼是直升机的关键部件,为直升机提供升力、推力以及操纵。旋翼的周期性运动,会使直升机产生严重的振动问题,不仅对直升机的使用寿命、机组成员的乘坐舒适度和任务效能产生巨大的影响,还会限制其前飞速度以及机动性能。因此,直升机减振是进行直升机设计需要考虑的重要问题之一。

目前,对于直升机减振的研究主要集中在三个方面:减小机身的振动、减小旋翼传递到机身结构的振动以及控制旋翼本身的动应力。由于旋翼是直升机振动的根源,因此,降低旋翼的动应力是直升机减振首要考虑的问题。

现有对于降低旋翼动应力的研究主要集中在桨叶动力学调频、桨叶模态优化以及极小化浆毂载荷等方法的研究。上述方法中旋翼的气动力模型不够准确,不能精确模拟旋翼的复杂空气动力环境,因此,无法有效地达到降低旋翼动应力水平的目的。

发明内容

有鉴于此,本发明提供了一种降低复合材料旋翼动应力水平的设计方法,用以降低复合材料旋翼动应力水平,降低浆毂载荷。

因此,本发明提供了一种降低复合材料旋翼动应力水平的设计方法,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;

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;

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。

在一种可能的实现方式中,在本发明提供的上述降低复合材料旋翼动应力水平的设计方法中,步骤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,xA(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,xA(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,AA、BA、CA、DA分别表示气动降阶模型的状态空间模型A、B、C、D矩阵,yA(j)表示第j时间步的广义气动力,uA(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。

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