[发明专利]重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法

说明书

本发明提供了一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，首先定义直升机机体运动方程和桨叶的运动方程，然后分析旋翼的运动状态量与机体运动状态量的关系，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，将两部分都表示成为显式的矩阵形式；再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；最后得到全机耦合运动方程显式。本发明基于阻抗匹配法，推导出了显式的直升机飞行动力学刚弹耦合动力学模型，具有同时反映直升机刚体运动和气动弹性问题的优势，能够适应重型直升机结构刚度低的特点，可以用于研究驾驶员和机体结构耦合问题。

技术领域

本发明涉及飞行动力学领域，具体是一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法。

背景技术

直升机驾驶员与机体结构模态间的相互作用可能会导致机体结构模态出现明显振荡现象，尤其随着重型直升机的尺寸大、结构刚度低，导致机体结构频率降低，从而驾驶员和机体结构的耦合振荡现象变得不容忽视。Walden回顾了过去40年来与驾驶员和机体结构模态的耦合振荡有关的案例和解决方案，并指出这些解决方案需要坚实地基于飞行试验进行分析和验证，但在耦合振荡的事故发生后再思考解决方案是滞后的，已经造成了相当大的损失，如果能够在事故发生之前通过大量的飞行仿真进行分析和预测，就能够尽可能避免事故的发生从而避免损失。为了能够精确反映飞行过程中可能发生的驾驶员和机体结构耦合问题，首先需要建立刚弹耦合的直升机飞行动力学仿真模型，不仅能够体现实际飞行过程中的低频刚体运动，如轨迹运动和姿态变化等，还要能够体现机体结构与各子部件之间的气动和惯性耦合关系，如旋翼/机身耦合，此外，刚体运动和弹性变形之间的相互影响关系也应当得到体现。

目前，直升机飞行动力学仿真模型往往将机体作为六自由度刚体，研究飞行过程中的稳定性、操纵性和飞行品质。在直升机结构动力学研究领域，往往会忽略直升机的实际运动，基于理想飞行情况对机体和桨叶结构进行高精度弹性建模，研究旋翼和机体的气动弹性耦合问题。

在CH-53K直升机的研制过程中，Sahasrabudhe使用基于AB阵的线性方法和松耦合的方式考虑了机体的弹性变形对飞行品质的影响。在固定翼飞机、高超声速飞行器和空间飞行器等研究领域有着在飞行动力学分析中考虑机身弹性变形的先例，这些研究使用的建模方法包括平均轴系法、准坐标系法和瞬态坐标系法。Cribbs在直升机上，使用平均轴系法建立了紧耦合的直升机刚弹耦合模型，并基于主动结构响应控制研究了直升机机体的减振，但Meirovitch质疑Cribbs的模型并不能真实反映柔性机身的变形情况并提出了解决该问题的一个方法，但该方法涉及到的符号运算量太大且无法简化，难以实际使用。

现有技术中，直升机的飞行动力学与结构动力学常常是作为相互独立的学科，两个学科都有非常成熟的分析模型，但二者结合的研究却十分稀少。当前的直升机飞行动力学研究中，即使考虑机体结构弹性，大多也是采用松耦合的方式，将机体的刚体运动和弹性变形分离，先通过刚体假设计算出各子部件作用于机身上的载荷，再将载荷作用于机体弹性模型上。即使采用紧耦合方式，直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法也存在争论，并无统一的建模手段且计算效率也较低，难以满足大量飞行仿真的需求。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，基于阻抗匹配法，推导出了显式的直升机飞行动力学刚弹耦合动力学模型，具有同时反映直升机刚体运动和气动弹性问题的优势，能够适应重型直升机结构刚度低的特点，可以用于研究驾驶员和机体结构耦合问题。

本发明提供了一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，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；