考慮耦合變形的無(wú)軸承旋翼氣彈穩(wěn)定性分析

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1、2010年10月沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)第27卷第5期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineering0ct．2010V01．27No．5文章編號(hào)：1007—1385(2010)05—0001—05考慮耦合變形的無(wú)軸承旋翼氣彈穩(wěn)定性分析高文杰1張野2(1．北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191；2．葫蘆島鋅廠技工學(xué)校，遼寧葫蘆島125003)摘要：無(wú)軸承旋翼存在強(qiáng)烈的非線性扭轉(zhuǎn)一彎曲耦合變形。推導(dǎo)了槳葉的非線性應(yīng)變一位移關(guān)系，應(yīng)用Hamilton原理建立了多路傳力的無(wú)軸承旋

2、翼槳葉運(yùn)動(dòng)的有限元方程，氣動(dòng)力模型采用二維準(zhǔn)定常片條理論，考慮了耦合變形對(duì)槳葉軸向彈性位移的影響，并構(gòu)造了一個(gè)新的15自由度梁?jiǎn)卧治隽藨彝顟B(tài)下的無(wú)軸承旋翼氣彈穩(wěn)定性。數(shù)值結(jié)果表明：考慮耦合變形對(duì)軸向彈性位移的影響可以提高懸停狀態(tài)下的無(wú)軸承旋翼氣彈穩(wěn)定性分析的精度。關(guān)鍵詞：直升機(jī)；無(wú)軸承旋翼；多路傳力；氣彈穩(wěn)定性；耦合；懸停中圖分類(lèi)號(hào)：V215．3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10．3969／j。issn．I(X)7—1385．2010．05．001無(wú)軸承旋翼由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，操作功效很高，對(duì)要求大機(jī)動(dòng)的武裝直升機(jī)具有特別重要的意義。

3、其產(chǎn)生是直升機(jī)旋翼技術(shù)的重大突破和飛躍，被稱(chēng)為直升機(jī)技術(shù)的一次革命。然而無(wú)軸承旋翼由于取消了揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸，柔性梁和扭矩套構(gòu)成載荷冗余的多路傳力系統(tǒng)，且存在強(qiáng)烈的非線性彎曲一扭轉(zhuǎn)耦合變形，因而無(wú)軸承旋翼氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性的分析極為困難。國(guó)外較早對(duì)無(wú)軸承旋翼氣動(dòng)彈性進(jìn)行研究的是Hodges，他利用中等變形梁理論分析了無(wú)軸承旋翼在懸停狀態(tài)下的地面和空中共振，每片槳葉假定為剛性，將柔性梁和扭矩套簡(jiǎn)化為單根等效梁模型[1-2]。Dawson等人對(duì)無(wú)軸承旋翼模型在懸停狀態(tài)下的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量"“j。Sivanefi等人采用有限元方

4、法分析了無(wú)軸承旋翼懸停狀態(tài)的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性口j。柔性梁和扭矩管分別作為單獨(dú)的彈性梁處理，結(jié)果表明對(duì)于多路傳力的無(wú)軸承旋翼，不能把柔性梁和扭矩管作為單路傳力系統(tǒng)來(lái)處理，否則會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。Lim等人對(duì)具有復(fù)合材料柔性梁的無(wú)軸承旋翼的氣動(dòng)彈性進(jìn)行了分析∞J。Chopra等人對(duì)無(wú)軸承旋翼的氣彈穩(wěn)定性、地面共振和空中共振等進(jìn)行了研究¨。1引。收稿日期：2010—09—05基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：10672011)作者簡(jiǎn)介：高文杰(1968一)，男，湖南長(zhǎng)沙人，副教授，博士研究生，主要研究方向：直升機(jī)動(dòng)力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)等，E—m

5、ail：Gaowenjie@126．como目前國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)軸承旋翼的研究尚為起步階段，鄧景輝等對(duì)復(fù)合材料無(wú)軸承尾槳柔性元件的鋪層角對(duì)尾槳的撓度和扭轉(zhuǎn)角的影響進(jìn)行了研究¨3

6、。江湘清等對(duì)無(wú)軸承旋翼尾槳懸停狀態(tài)下氣彈穩(wěn)定性進(jìn)行分析¨引。徐明等利用中等變形梁理論分析了無(wú)軸承旋翼槳葉動(dòng)力穩(wěn)定性【l5

7、。值得注意的是以上文獻(xiàn)均沒(méi)有考慮槳葉軸向彈性變形與揮舞、擺振變形的耦合作用。本文將無(wú)軸承旋翼視為多路傳力系統(tǒng)，采用中等變形梁理論建立槳葉的位移一應(yīng)變關(guān)系，氣動(dòng)力采用二維準(zhǔn)定常片條理論推導(dǎo)，并利用Hamilton原理建立旋翼槳葉運(yùn)動(dòng)的有限元方程，研究考

8、慮耦合變形對(duì)槳葉軸向彈性位移影響條件下無(wú)軸承旋翼在懸停狀態(tài)的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性。1槳葉運(yùn)動(dòng)有限元方程1．1應(yīng)變一位移關(guān)系利用Green—Lagrange應(yīng)變張量及小應(yīng)變假設(shè)可得槳葉的應(yīng)變一位移的非線性關(guān)系為‘16

9、：占。：“，+知應(yīng)+如以一口”E叼cos($+Oo)一fsin(毒+吼)]一IOn_[叼sin(毒+島)+g-cos($+吼)](1)7。=一f[07+(一t，’sinoo+tc77cosoo)(v％os00+叫”sinOo)](2)y《2叼[0’+(一v'sin00+1,O’cos00)(VnCOS00+塒”sin00)](3)

10、2沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)第27卷式中：M、穢和IV分別是槳葉軸向、擺振方向和揮舞方向的位移，O’表示對(duì)髫求導(dǎo)，$是槳葉的幾何扭轉(zhuǎn)角，0是槳葉的預(yù)扭角。1．2槳葉運(yùn)動(dòng)方程旋翼槳葉運(yùn)動(dòng)的方程可根據(jù)Hamilton原理推導(dǎo)：一2A主J(8u一8r一8形)dt=0(4)“I、式中：SU、8r和8W分別為槳葉的應(yīng)變能、動(dòng)能和氣動(dòng)力虛功的變分。其中：rt什8U=M(如。8占。+唧研87印+研《8y《)J0塒’。dxdT／df(5)式中：E是彈性模量，G是剪切彈性模量，z是旋翼槳葉的長(zhǎng)度?！灰?T=J肛聆I，以d叩喈(6)。uj式中：V是旋翼槳葉上任意

11、點(diǎn)速度?！?W=JL。8u+L5v+L。8w+峨8咖(7)式中：￡。、L。L。和帆分別是Ⅱ以加、和咖方向槳葉單位長(zhǎng)度上的氣動(dòng)力，其值由二維準(zhǔn)定常片條理論得到。將旋翼槳葉分成若干個(gè)單元，則Hamilton原理