基于cfdcsd耦合的旋翼振動載荷預(yù)估方法研究

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1、中圖分類號：V211.47；V214.1論文編號：102870115-S257學(xué)科分類號：082501碩士學(xué)位論文基于CFD/CSD耦合的旋翼振動載荷預(yù)估方法研究研究生姓名李建東學(xué)科、專業(yè)航空宇航科學(xué)與技術(shù)(直升機(jī)工程）研究方向直升機(jī)旋翼動力學(xué)指導(dǎo)教師劉勇南京航空航天大學(xué)研究生院航空宇航學(xué)院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearch

2、onRotorVibrationLoadPredictionUsingCFD/CSDCouplingAThesisinAerospaceScience&Technology(HelicopterEngineering)byJianDongLiAdvisedbyYongLiuSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015II南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文承諾書本人聲明所呈交

3、的博/碩士學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京航空航天大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書）作者簽名：日期：1基于CFD/CSD耦合的旋翼振動載荷預(yù)估方法研究摘要直升機(jī)旋翼振動載荷的準(zhǔn)確預(yù)估一直是旋翼氣彈

4、分析的難題，旋翼流場的準(zhǔn)確計(jì)算要求同時(shí)考慮旋翼的氣動特性和結(jié)構(gòu)運(yùn)動特性。傳統(tǒng)的氣動模型由于不能準(zhǔn)確模擬旋翼流場的三維非定常特性，影響了旋翼振動載荷預(yù)估的準(zhǔn)確性。本文研究基于CFD/CSD耦合的旋翼振動載荷預(yù)估方法，對于進(jìn)一步提高旋翼振動載荷的預(yù)估精度有重要的作用。本文針對CFD/CSD耦合旋翼振動載荷預(yù)估中的幾個(gè)關(guān)鍵問題開展了相關(guān)研究，主要包括：⑴基于中等變形梁理論，引入槳葉先進(jìn)幾何外形參數(shù)（后掠角、下反角、預(yù)扭角），采用Hamilton原理推導(dǎo)了先進(jìn)幾何外形彈性旋翼槳葉全耦合非線性運(yùn)動方程。然后采

5、用空間有限元的方法對槳葉進(jìn)行離散，離散的槳葉考慮單元內(nèi)部剛度特性和質(zhì)量特性隨著局部徑向坐標(biāo)的變化而改變，最后采用6點(diǎn)高斯數(shù)值積分的方法完成了槳葉非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)有限元建模。⑵基于FLUENT流體分析平臺，采用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)結(jié)合的網(wǎng)格離散方法，利用用戶自定義函數(shù)、I/O文件方式傳遞CSD模型中獲得的旋翼槳葉揮舞、擺振和變距運(yùn)動并驅(qū)動動網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)CFD/CSD的耦合。依此為基礎(chǔ)，綜合研究了變距、揮舞運(yùn)動耦合及周期交變來流作用下的NACA0012二維翼型動態(tài)失速特性；建立了剛性旋翼槳葉的三維CFD模型，采用

6、動網(wǎng)格的方法實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞和變距運(yùn)動的模擬，計(jì)算了F.X.Caradonna模型旋翼槳葉的剖面氣動載荷，驗(yàn)證了CFD建模方法的有效性。⑶發(fā)展了直升機(jī)前飛狀態(tài)旋翼的配平方法和不同的CFD/CSD耦合策略。采用CFD/CSD緊耦合策略研究了動態(tài)失速和氣彈耦合對二維翼型響應(yīng)和氣動載荷的影響。以SA349/2“小羚羊”直升機(jī)為算例，通過CFD計(jì)算剖面氣動載荷，采用模態(tài)法和力積分法計(jì)算旋翼槳葉的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和剖面振動載荷，通過CFD/CSD松耦合迭代，得到最終的旋翼槳葉剖面振動載荷，最后與飛行實(shí)測數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證

7、了本文方法的有效性。關(guān)鍵詞：直升機(jī)、旋翼、振動載荷、CFD/CSD、FLUENT2南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文ABSTRACTPredictionofhelicopterrotorvibrationloadisakeythrustareawithinthefieldofrotoraeroelastic.Anaccuratecomputationoftheflowfieldgeneratedbyhelicopterrotorrequiresustoconsideratthesametimebothth

8、eaerodynamicandthestructuralpropertiesoftherotor.Typicalmethodstosolvethedynamicbycomputingtheaerodynamicloadsaccordingtoa2Dquasi-steadymodelbasedonaliftinglineaffectstheaccuracyofrotorvibrationloadforpredictionbecauseoflackingaccuratec