基于cfdcsd耦合的旋翼振动载荷预估方法研究

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1、中图分类号：V211.47；V214.1论文编号：102870115-S257学科分类号：082501硕士学位论文基于CFD/CSD耦合的旋翼振动载荷预估方法研究研究生姓名李建东学科、专业航空宇航科学与技术(直升机工程）研究方向直升机旋翼动力学指导教师刘勇南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearch

2、onRotorVibrationLoadPredictionUsingCFD/CSDCouplingAThesisinAerospaceScience&Technology(HelicopterEngineering)byJianDongLiAdvisedbyYongLiuSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015II南京航空航天大学硕士学位论文承诺书本人声明所呈交

3、的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：1基于CFD/CSD耦合的旋翼振动载荷预估方法研究摘要直升机旋翼振动载荷的准确预估一直是旋翼气弹

4、分析的难题，旋翼流场的准确计算要求同时考虑旋翼的气动特性和结构运动特性。传统的气动模型由于不能准确模拟旋翼流场的三维非定常特性，影响了旋翼振动载荷预估的准确性。本文研究基于CFD/CSD耦合的旋翼振动载荷预估方法，对于进一步提高旋翼振动载荷的预估精度有重要的作用。本文针对CFD/CSD耦合旋翼振动载荷预估中的几个关键问题开展了相关研究，主要包括：⑴基于中等变形梁理论，引入桨叶先进几何外形参数（后掠角、下反角、预扭角），采用Hamilton原理推导了先进几何外形弹性旋翼桨叶全耦合非线性运动方程。然后采

5、用空间有限元的方法对桨叶进行离散，离散的桨叶考虑单元内部刚度特性和质量特性随着局部径向坐标的变化而改变，最后采用6点高斯数值积分的方法完成了桨叶非线性结构动力学有限元建模。⑵基于FLUENT流体分析平台，采用结构和非结构结合的网格离散方法，利用用户自定义函数、I/O文件方式传递CSD模型中获得的旋翼桨叶挥舞、摆振和变距运动并驱动动网格，实现CFD/CSD的耦合。依此为基础，综合研究了变距、挥舞运动耦合及周期交变来流作用下的NACA0012二维翼型动态失速特性；建立了刚性旋翼桨叶的三维CFD模型，采用

6、动网格的方法实现桨叶的挥舞和变距运动的模拟，计算了F.X.Caradonna模型旋翼桨叶的剖面气动载荷，验证了CFD建模方法的有效性。⑶发展了直升机前飞状态旋翼的配平方法和不同的CFD/CSD耦合策略。采用CFD/CSD紧耦合策略研究了动态失速和气弹耦合对二维翼型响应和气动载荷的影响。以SA349/2“小羚羊”直升机为算例，通过CFD计算剖面气动载荷，采用模态法和力积分法计算旋翼桨叶的稳态响应和剖面振动载荷，通过CFD/CSD松耦合迭代，得到最终的旋翼桨叶剖面振动载荷，最后与飞行实测数据的对比，验证

7、了本文方法的有效性。关键词：直升机、旋翼、振动载荷、CFD/CSD、FLUENT2南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTPredictionofhelicopterrotorvibrationloadisakeythrustareawithinthefieldofrotoraeroelastic.Anaccuratecomputationoftheflowfieldgeneratedbyhelicopterrotorrequiresustoconsideratthesametimebothth

8、eaerodynamicandthestructuralpropertiesoftherotor.Typicalmethodstosolvethedynamicbycomputingtheaerodynamicloadsaccordingtoa2Dquasi-steadymodelbasedonaliftinglineaffectstheaccuracyofrotorvibrationloadforpredictionbecauseoflackingaccuratec