直升机旋翼桨叶系统动力学分析

摘要

旋翼力学是直升机飞行力学研究的核心内容之一。旋翼激振力随飞行速度的增加而显著增大，在速度很大时，往往是振动限制了直升机的最大速度，使发动机的功率得不到充分的发挥。到目前为止，直升机的研究之所以落后于固定翼飞机，很大程度上是对直升机旋翼的流场和气动力的认识不够充分。由于旋翼系统的复杂性，即使假设桨叶为刚性，仍然存在着挥舞、摆振、变距运动，各种运动相互耦合，形成复杂的结构动力学问题。对旋翼桨叶进行动力学仿真，一直是直升机领域研究的前沿课题和技术发展的主体。
　　 近年来，柔体多体系统动力学越来越引起人们的关注。它的理论基础之一是绕定轴转动的坐标变换矩阵，而现实中存在着大量的方向余弦变化的转动轴，转动轴的数学建模一直是空间多柔体系统动力学的疑难问题之一。
　　 本文以柔性多体系统动力学为基础，由空间定轴多柔体系统质量矩阵，推导出平面-空间动轴的多柔体系统质量矩阵。并以某样机为例，根据平面-空间动轴多柔体系统质量矩阵，建立了旋翼桨叶的动力学控制方程。采用迭代违约校正法法，计算了在二维定常空气中，直升机处于飞行状态时的动力响应。将仿真结果和实验测得数据相比较，表明采用此方法的正确性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2旋翼动力学理论

1.2.1旋翼滑流理论

1.2.2桨叶叶素理论

1.2.3旋翼涡流理论

1.2.4 CFD方法

1.2.5柔性多体系统动力学

1.3柔性多体系统动力学研究进展、现状和发展趋势

1.4对直升机旋翼桨叶系统进行动力学分析的目的和意义

1.5本文的主要内容和工作

1.5.1主要工作

1.5.2内容安排

第二章 柔性多体系统动力学的基本理论

2.1引言

2.2建模方法

2.3柔性多体系统的空间运动学

2.3.1空间旋转变换矩阵

2.3.2用欧拉参数表示空间旋转矩阵

2.3.3旋转变换矩阵的若干性质

2.3.4柔性体上任一点的速度和加速度

2.3.5有限元法坐标变换

2.4柔性多体系统空间运动动力学

2.4.1柔性多体系统的动力学控制方程

2.4.2用欧拉参数表示的动力学控制方程

2.5小结

第三章 空间动轴多柔体系统动力学特性

3.1绕定轴转动多柔体系统质量矩阵

3.1.1柔性体的质量矩阵

3.1.2质量矩阵对时间的偏导数

3.2绕定轴转动的动轴多柔体系统质量矩阵

3.2.1动轴转动的柔性体上任一点速度

3.3.2平面-空间动轴多柔体系统质量矩阵

3.3小结

第四章 直升机旋翼桨叶系统动力学控制方程及系数矩阵

4.1直升机旋翼桨叶数学模型

4.1.1实际直升机旋翼桨叶的基本结构

4.1.2数学模型

4.2动力学控制方程

4.3质量矩阵

4.3.1位置向量

4.3.2质量矩阵

4.4动力学控制方程中的速度二次项

4.4.1质量矩阵对时间的导数

4.4.2动能对广义坐标的偏导数

4.4.3约束方程及雅可比矩阵

4.4.4刚度矩阵

4.4.5阻尼矩阵

4.4.6广义主动力

4.4.7参考条件

4.5小结

第五章 实例动力学仿真分析

5.1概述

5.2动力学控制方程的数值解法

5.2.1纽马克β法

5.2.2中心差分法

5.2.3迭代违约校正法

5.2.4新方法的计算步骤

5.3旋翼桨叶实例计算与分析

5.3.1动力学仿真

5.3.2结果分析及说明

5.4小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录