复合材料旋翼结构优化与软件实现

摘要

振动问题一直是困扰着直升机的发展和应用的突出问题之一，这使得直升机结构设计在很大程度上是结构动力学设计问题。旋翼系统的设计，其根本是旋翼动力学设计。本文主要研究直升机复合材料旋翼桨叶动力分析与优化技术，开发集结构建模、截面特性分析、动力分析和结构优化设计于一体的CAD软件，为设计人员提供计算准确、界面友好、使用方便的工具软件。还以一个直升机无轴承桨毂的承担扭转变形功能的柔性梁的截面优化为例，研究了考虑刚度性能要求的各向异性梁截面的拓扑优化方法。 介绍了基于Giavotto等提出的考虑截面翘曲变形的各向异性梁理论的截面特性计算方法、考虑陀螺力及截面翘曲的复合材料旋转梁耦合振动分析方法。通过算例验证了截面特性计算和动力计算的准确性。 建立了旋翼结构的参数化描述和桨叶动力优化模型，给出了优化计算的流程。优化主要考虑桨叶重量、桨叶重心展向位置、桨叶转动惯量、最大剖面重心弦向位置、剖面最小扭转刚度、最大蒙皮铺层厚度和主要阶次的频率约束，前三个既可以被选作设计目标，又可以作为约束。设计变量包括截面内部部件的控制点坐标、蒙皮铺层参数以及调频配重的质量及位置。通过算例验证了优化计算的有效性。 采用可视化编程技术，实现了复合材料旋翼交互式参数化建模、截面特性分析、耦合振动分析与优化、图形显示、计算结果后处理等功能，开发了作为本研究主要成果的直升机旋翼结构优化软件ROBSOD（V1.0）。软件界面友好，使用方便，计算准确，实现了优化过程中的网格重新剖分功能，具有较好的健壮性。 由于复合材料性能优异，工程中越来越多地采用复合材料梁来完成以前由复杂机械完成的功能，而对这些梁的刚度性能往往有特殊的要求，需要通过优化来合理确定梁截面的布局和尺寸。本文基于Giavotto等提出的考虑截面翘曲的各向异性梁理论和拓扑优化的SIMP方法，建立了以刚度性能为目标和约束的复合材料梁截面的拓扑优化方法，给出了敏度的分析方法。通过算例验证了本方法的正确性和可靠性。对一个直升机无轴承桨毂的承担扭转变形功能的柔性梁，首先对截面进行拓扑优化，得到截面的最优拓扑，然后结合层合式结构的特点，进行形状和尺寸优化，得到适合于工程应用的截面设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1论文选题背景

1.2旋翼桨叶动力优化设计

1.3梁变形理论

1.4考虑刚度要求的复合材料梁截面拓扑优化

1.5本文的主要工作

2考虑翘曲变形的各向异性梁理论

2.1 引言

2.2考虑翘曲变形的各向异性梁理论

2.3截面刚度矩阵的解耦

2.4算例

2.5小结

3复合材料旋翼耦合振动分析

3.1引言

3.2复合材料旋翼耦合振动分析计算

3.2.1梁单元的势能

3.2.2梁单元的动能

3.2.3梁的动力方程

3.2.4陀螺系统特征值问题的求解

3.2.5陀螺系统特征问题的敏度分析

3.3算例

3.4小结

4复合材料旋翼动力优化设计

4.1 引言

4.2桨叶结构描述与设计变量

4.3旋翼桨叶结构动力优化模型

4.4计算流程

4.5算例

4.6小结

5复合材料旋翼耦合振动分析与优化的软件实现

5.1 引言

5.2软件的主要功能

5.3软件的主要模块

5.4软件的工作流程

5.5本软件的特点

5.6小结

6考虑刚度要求的梁截面拓扑优化设计

6.1引言

6.2拓扑优化的SIMP方法

6.3考虑刚度要求的梁截面拓扑优化设计

6.3.1以刚度性能为目标和约束的梁截面拓扑优化模型

6.3.2一般的考虑刚度性能的梁截面拓扑优化模型

6.3.3敏度分析

6.3.4灰度单元的消除

6.4拓扑优化算例

6.4.1各向同性材料梁截面的拓扑优化

6.4.2正交各向异性材料截面的拓扑优化和形状优化

6.5桨毂柔性梁扭转功能段的截面优化设计

6.6小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢