柔性多体系统动力学在直升机旋翼桨叶上的应用

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。采用中心差分—Newmarkβ法，计算了在二维定常空气中，直升机处于悬停时的动力响应。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

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声明

第一章绪论

1.1研究直升机旋翼桨叶的目的和意义

1.2国内外研究进展、现状和发展趋势

1.2.1直升机技术的历史

1.2.2飞行动力学模型

1.2.3未来直升机技术发展展望

1.3本文的主要工作和内容组织结构

1.3.1本文的主要工作

1.3.2本文的内容组织结构

第二章柔性多体系统动力学基础

2.1柔性体上任一点状态描述

2.2有限元法坐标变换

2.3柔性多体系统动力学控制方程的一般形式

2.3.1柔性多体系统动力学控制方程的特点

2.3.2自由柔性体的动力学控制方程

2.4小结

第三章平面-空间动轴多柔体系统质量矩阵

3.1空间旋转变换矩阵及其性质

3.1.1空间旋转变换矩阵

3.1.2旋转变换矩阵的性质

3.1.3用欧拉参数表示的空间旋转变换矩阵

3.2空间定轴多柔体系统质量矩阵

3.2.1柔性体上任一点速度

3.2.2柔性体的质量矩阵

3.2.3质量矩阵对时间的偏导数

3.2.4用欧拉参数表示的动力学控制方程

3.3平面-空间动轴多柔体系统质量矩阵

3.3.1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

3.4小结

第四章直升机旋翼桨叶的动力学控制方程

4.1柔性多体系统动力学控制方程

4.2直升机旋翼桨叶数学模型

4.2.1旋翼桨叶的基本机构

4.2.2数学模型

4.2.3旋翼桨叶的质量矩阵

4.2.4质量矩阵对时间和广义坐标的偏导数

4.3由平面-空间动轴多柔体质量矩阵得到旋翼桨叶质量矩阵

4.3.1H矩阵与B矩阵的比较

4.3.2 B1A与BβAu的比

4.3.3HB2与BAθu比的比较

4.4动力学控制方程中的其它系数矩阵

4.4.1约束方程及雅可比矩阵

4.4.2刚度矩阵

4.4.3阻尼矩阵

4.4.4广义主动力

4.4.5参考条件

4.5小结

第五章直升机旋翼桨叶的动力响应计算和分析

5.1动力响应计算的基本方法

5.2中心差分法

5.3纽马克β(Newmark β)法

5.4直升机实例计算

5.5小结

第六章总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

附录