[发明专利]重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法

权利要求书

1.一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，其特征在于：对旋翼和机身耦合气弹分析方法中的显式阻抗匹配法进行拓展，使其适用于弹性桨叶和弹性机体的情况，包括如下过程：

1)定义直升机机体运动方程和桨叶的运动方程；

2)分析旋翼的运动状态量与机体运动状态量的关系；

3)结合机体的加速度量和桨毂加速度的关系，将桨叶的运动状态带入桨叶运动方程并整理，将运动方程分为两部分，第一部分只与旋翼内部运动状态量有关，另一部分与机体运动状态量有关，将两部分都表示成为显式的矩阵形式；

4)将旋翼力表示为同样的两部分，将旋翼力转换为机体广义外力，带入机体运动方程，分为与旋翼内部运动状态量和机体运动状态量有关的两部分以及与二者都无关的部分；

5)综上，得到全机耦合运动方程显式。

2.根据权利要求1所述的重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，其特征在于：所述的对旋翼和机身耦合气弹分析方法中的显式阻抗匹配法进行拓展的具体过程如下：

1)记直升机系统中旋翼的加速度量为机体的加速度量为表式如下：

其中：和分别是各片桨叶的挥舞角加速度、摆振角加速度和桨叶变形广义坐标的加速度；和分别是机体在体轴系下的平移加速度、转动加速度和机身变形广义坐标的加速度；

直升机机体运动方程可以表示为：

其中：M_jk(j,k＝V,ω,p)是加速度k对加速度j的耦合质量矩阵；表示角速度的叉乘矩阵，波浪符号代表叉乘矩阵,右下标F表示机体的量，右上标F表示机体轴系下的量；A_F0表示从静止轴系到体轴系的坐标转换矩阵，0代表静止轴系，F代表机体轴系；g⁰表示静止轴系下的重力加速度，右上标⁰代表静止坐标系下的量；机体的速度二次项Q_v,F、广义外力Q_e,F和结构内力Q_i,F拆分成了平移V、转动ω和弹性变形p三部分；

桨叶的运动方程可以表示为：

其中：Q_c,B表示桨叶受到的约束力；表示在桨叶坐标系下挥舞和摆振铰对桨叶作用的未知集中力，N_β和N_ζ表示挥舞铰和摆振铰的已知铰链弹簧阻尼力矩，是挥舞和摆振角度和角速度的函数，表示桨叶弹性变形在挥舞/摆振铰处的转角位移量形函数；

2)旋翼和机体的运动耦合体现在机体受到的广义外力Q_e,F中和旋翼的运动状态量中，因为旋翼对机体的作用力与旋翼上每片桨叶当前的运动状态有关，而桨叶的运动状态又与机体的运动状态有关，旋翼的运动状态量与机体运动状态量的关系如下：

其中：次标0表示静止坐标系，其它次标的意义分别为：桨毂S、挥舞/摆振铰H和弹性桨叶B组成，对应的坐标系分别是桨毂不旋转轴系S、桨毂旋转轴系H和桨叶坐标系B；下标acc和velo分别表示与加速度有关的部分和不与加速度有关的部分；和分别表示对象k在坐标系j下的速度和角速度，和表示相应的加速度；A_jk表示从坐标系k到坐标系j的坐标转换矩阵；Ω＝[0 0 Ω]^T表示旋翼转速，是其叉乘矩阵；表示桨毂不旋转轴系S下从桨毂中心到挥舞/摆振铰的位置矢量；表示由挥舞和摆振角速度引起的桨叶坐标系的角速度，是欧拉角速度矩阵，是欧拉角速度列向量，β表示桨叶挥舞角，上挥为正，ζ表示桨叶摆振角，前摆为正，相应的，表示欧拉角加速度列向量；skew(*)和波浪符号的意义相同，都代表某三维列向量的叉乘矩阵；表示欧拉角速度矩阵的导数；

3)结合机体的加速度量和桨毂加速度和的关系：

将桨叶的运动状态带入桨叶运动方程并整理就可以将运动方程分为两部分，第一部分只与旋翼内部运动状态量有关，另一部分与机体运动状态量有关，它们都可以表示成为显式的矩阵形式，即：

其中：是从旋翼状态未知量之间的耦合阻抗矩阵；是从桨毂运动加速度到旋翼状态未知量的阻抗矩阵；和分别表示各片桨叶的挥舞、摆振和弹性变形方程中与加速度无关的量列矩阵；

4)旋翼力和表示为同样的两部分：

其中：和分别是与加速度项无关的桨毂载荷；

从旋翼力到机体广义外力的转换关系为：

再带入机体运动方程同样可以分为与旋翼内部运动状态量和机体运动状态量有关的两部分以及与二者都无关的部分；

5)综上，将全机耦合运动方程显式地表示为：

其中：H代表从右下标到右上标的阻抗矩阵；f代表不包含加速度的方程右端项；I是单位矩阵。