第22卷第6期海军航空工程学院学报Vol.22No.62007年11月JournalofNavalAeronauticalEngineeringInstituteNov.2007文茸编号:1673-1522(2007)06-0605-05直升机旋翼瞬态气弹运动有限元模型研究朱旭程，侯志强，吕卫民(海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001)摘要:从能量变分原理出发建立了旋翼的瞬态气弹有限元模型，模型考虑了旋翼转速加速度对桨叶动能变分的影响。采用叶素理论建立了桨叶在复杂流场中的气动载荷模型，模型计人了旋翼主轴纵倾和横滚角的影响，研究了流场风速分量的计算。运用所建模型仿真分析了直升机在护卫舰尾流场内起动时桨叶的挥舞、摆振、扭转(变距)等瞬态运动过程。模型可用于旋翼的振动仿真分析、噪声估计和故障诊断方法的验证。关键词:振动;直升机旋翼;气弹分析;有限元法中图分类号:V211.52文献标志码:A0引言旋翼应变能的变分为:匆B=由于海上风速大，舰艇附近的气流紊流度高，直升机在海上使用过程中，遇到了比在陆上更为恶(U,;8v‘十U,\"Bw-iU,,8w+巧命十Uy,W+U4.,W)dz(2)劣的环境，其旋翼也出现了更多的安全性问题，引式中:起了人们的注意。为进一步分析旋翼在复杂流场中U,,==v'(EI=costBo+ElysinZ00)+的瞬态动力学特性，需要建立细致的旋翼系统动力(GJ+EBI矛)OIW一EB200'O'COSO0+学模型，来反映旋翼结构质量、刚度、惯性力、气动力之间的定量关系111。本文从能量变分原理出发(EI:一EIy)借sin200+v'Osin200+w'Ocos200),建立了旋翼的瞬态气弹有限元模型，模型考虑了旋U,,=(GJ+EB.矛)O,V,，翼转速加速度对桨叶动能变分的影响。采用叶素理U.,=W'(El,sin200+Ey，COS200)一EB200'0'sin00+论建立了桨叶在复杂流场中的气动载荷模型，模型(El:一EIy)(2sin200+w'osin200+v'ocos200),计人了旋翼主轴纵倾和横滚角的影响，研究了流场__心心风速分量的计算。运用所建模型仿真分析了直升机U.=(EL-EL)(=-一‘2=sin20+w\"v'cos20).在护卫舰尾流场内起动时桨叶的挥舞、摆振、扭转U*1=E0120,B}0一EB200'(v'cos00+w'sin00)+(变距)等瞬态运动过程。模型还可用于旋翼的振GJ(了+WV，动分析、噪声估计和故障诊断方法的验证等研究。U0,=EC,O'+ECZ(w'cos00一v'sin00)。1旋翼模型的建立w为挥舞位移;v为摆动位移;沪为弹性扭转位移;x为桨叶径向位w;环、El.为挥向弯曲刚度采用广义的Hamilton能量变分原理:和摆向弯曲刚度;GJ为扭转刚度;EB,,EB:为预翻一丁犷(“一‘+““一”，(1)扭刚度;EC,,ECZ为翘曲刚度;00为桨距输入式中:&J=SUB+&ID;8F=机+饥;角，包括总距角和周期变距角。JYY-JWAF+JWD;T为动能;U为应变能;W为桨叶的动能变分由分部积分法可写成:外力虚功;UB,UD分别为桨叶和操纵杆的应变T9,一了仃p,V-SVdt7d;dx=丁仃p,U-SUdnd5-d(3)能;TB,TD分别为桨叶和减摆器的动能;WAF,0A0几xWD分别为气动载荷和减摆器的虚功。式中:V为速度向量;U为位移向量。收稿日期:2007-06-26作者简介:朱旭程(1973-)，男，讲师，硕士;侯志强(1959-)，男，教授，博导，博士。606海军盆空工程学院学报第22卷桨叶上任意一点的加速度U直接构成了位移变分项的系数。动能变分可进一步写为:ST,=I一(T.Sv十T..Sw+T.S0+T..Sv'+T.,,Sw')dx.(4)式中:T,=m[SZ(v'e8cosBo+we8sinBo+w,一x)+‘(“，cosBo+BosinBo)+Wv一“2egosinBo+252,(3Pw+2v'e8cosBo+2w'esinB8o一v+leacos0,+252丁;(v'v'+w'iv)dx]，Tw=m[-52(fpeacosOo+v)6p)一a2j6,x-9,e,cosBo一Mfpv一4,一Oeacos001，TO一m[!!}(xeg0cos00+xegsin0,)一k2-“，(k2\"2一k2,.,)cos0.sin0.一。'x,6,e,cos0.-522vxeasinBo一。2w'xe,cosBo+ve,sin0.-“，(\"'k2.一k,2)Ocos20,一‘e.CosO}一k2.kl，TV=n(-ea(522xcosBo一。2XOsin0o+252vcosO,)-52veacosBo)，T.,=m[-e.(522xsin90+522XOcosBo+252vsinBo)-52ve,sinBo。m为单位长度桨叶质量;。为瞬时旋翼转速;‘为翼型质心与弹性轴距离;几为预锥角。旋翼转速与悬停或前飞时的假设不同，在此并不是一个常数，转速角加速度需要被包含在位移变分的系数中。角加速度对上述各变分系数的影响反映在S2对应的项中，转速的时间历程一般由实测数据拟合曲线给出，转速曲线视为已知。旋翼气动载荷的虚功变分为:帆=丁;(气痴+人痴十MOS0)dx，(5)式中:Lw,L,M汾别为翼型的气动力、气动俯仰力矩，旋翼气动力(距)包括环量力和非环量力。ICJ气动载荷的计算旋翼气动载荷采用非线性叶素理论计算。气动力是剖面空速和翼型气动系数的函数。桨叶的速度采用旋翼的实际转速，旋转加速度可以不为零。此外，在垂直和前飞状态下，没有侧向气流分量，但在复杂流场中风速在各个方向上都有不同的分量，桨盘平面内可能出现较大的逆流区。桨叶剖面的相对速度由气流速度v和桨叶转动速度Vb合成:V=Vb+Vwo气流速度包括来流速度和旋翼诱导速度。旋翼诱导速度采用Drees模型:一、、一、二、卜卜一、Rcosv+kyRsin)1+(-,)2只，叮.(6).1一-产.气..‘=-2u，.J凡=一2私cT2+u2。来流速度可用解析模型、数值仿真模型或现场试验数据。算例采用了护卫舰尾流的数值模型作为输人进行计算，采用网格技术对离散的三维NS方程求解可得桨盘平面中气流的分布，仿真过程参见文献[2]0尾流的速度场采用插值程序计算:V(r,VV;+,)=V(r;+t,YVi+,)r一r;十.v，，、rJ声，r，一舀r“叹r.1一，班,r..。，一-。ri十t一r;r..,T.。一r.，V(r,V,)=V.(二二_，、二-r.-+Vlr._N/.l全止二(7)V,.(r,V)=叭(r,梦梦一V;。，、梦1+l一梦‘;+})—妈+i一妈+岭(r,梦，’)—V/+:一iV，Vj+t