[发明专利]一种直升机吊挂柔性机身建模方法

说明书

本发明公开了一种直升机吊挂柔性机身建模方法，采用变截面变刚度弹性梁模型进行弹性机身建模，然后使用有限元方法进行机身弹性梁模型的模态求解；其中，所述建模包括：在机身弹性梁上设置若干个节点，采用分段剖面质量加权平均的方法近似出一根与机身纵轴平行的直弾性轴，利用机身分段结构质量，得到每个梁单元的单元质量，利用机身分段剖面刚度数据，计算出每个梁单元的刚度矩阵，采用有限元组集的方法得到整个机身的刚度矩阵及质量矩阵，求解即可得到机身振动固有频率和模态振型，耦合机身刚体运动得到机身不同位置的运动信息，各气动部件根据当地运动信息计算出相对入流进而得到气动作用力，实现柔性机身变形对直升机吊挂系统的影响建模。

技术领域

本发明涉及飞行动力学领域，具体涉及一种直升机吊挂柔性机身建模方法。

背景技术

吊挂飞行是直升机的一个特色，直升机吊挂飞行的应用越来越广泛，在海事救援、森林救火、地质勘探、伐木和电力设施架设等诸多领域屡见不鲜，发挥着举足轻重的作用。然而，随着直升机载重增加，机身尺寸也相对较大，机身长度的增加使得机身抗弯刚度相对降低，变形增大，由此造成全机各气动部件的相对气流环境改变，气动特性发生变化，进而影响到全机的平衡特性和稳定性。对于吊挂飞行，特别是多点吊挂，旋翼升力、尾桨力、平垂尾升力以及吊挂载荷等机身载荷沿机长呈多点分布，对机身产生非常大的弯曲力矩，造成机身较大的变形，由机身变形和变形速度引起气动部件的气动特性发生改变，因此有必要进行机身弹性变形对直升机平衡特性和稳定性的影响研究。加入机身弹性变形后直升机吊挂飞行动力学建模的复杂程度大大增加，不仅要考虑到机身弹性振动的变形和变形速度对旋翼、尾桨、平垂尾等气动载荷的影响，还要考虑机身弹性振动与旋翼叶片挥舞和摆振的耦合，直升机各动部件之间是周期性振动、动态平衡的复杂耦合系统，系统的配平和稳定性计算都无法采用常规的处理方法，需要设计一种新的处理方式，目前尚没有考虑机身弹性变形的直升机吊挂飞行动力学建模相关研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种直升机吊挂柔性机身建模方法，通过将机体弹性变形加载到飞行动力学模型中，可以解决重型直升机机体弹性变形对直升机吊挂系统稳定性的影响。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种直升机吊挂柔性机身建模方法，采用变截面变刚度弹性梁模型进行弹性机身建模，然后使用有限元方法进行机身弹性梁模型的模态求解；其中，所述建模具体包括：

首先建立机体计算坐标系，然后在机身弹性梁上设置若干个节点，两相邻节点之间的机身分段认为是弯扭耦合均匀梁单元，采用分段剖面质量加权平均的方法近似出一根与机身纵轴平行的直弾性轴，各剖面的质量和转动惯量即节点的质量和转动惯量，利用机身分段结构质量，得到每个梁单元的单元质量，利用机身分段剖面刚度数据，计算出每个梁单元的刚度矩阵，采用有限元组集的方法可以得到整个机身的刚度矩阵及质量矩阵，求解即可得到机身振动固有频率和模态振型，耦合机身刚体运动得到机身不同位置即各气动部件处的运动信息，各气动部件根据当地运动信息计算出相对入流进而得到气动作用力，实现柔性机身变形对直升机吊挂系统的影响建模。

进一步地，所述机体计算坐标系包括机体坐标系、机身弹性轴坐标系、机身任意位置x处的局部坐标系以及机身上任一部件处的局部坐标系。

进一步地，所述机体计算坐标系的建立过程包括：

将弹性机体简化为变截面变刚度弹性梁模型，然后建立机体计算坐标系，所述机体计算坐标系包括：

机体坐标系(O-XYZ)_f，其原点O_f在质心处，X_f轴在机身的纵向对称面内指向机头，Z_f在机身的纵向对称面内垂直于X_f轴指向下，Y_f轴通过右手定则确定；