飞行汽车旋翼桨叶的优化设计研究

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1、飞行汽车旋翼桨叶的优化设计研究第一章绪论1.1引言飞行汽车是汽车与各式航空器相结合的产物，它兼具汽车和航空器的主要部件，既可以在地面上行驶，又能在空中飞行。历史上，世界各主要大国都曾先后试制过这种陆空两栖的飞行车辆，中国更是早在春秋战国时期就有过关于飞车的记载，但并无实物保存下来[1]。直到汽车诞生30年之后的1917年，现代飞行汽车的雏形Autoplane在美国航空展览会上第一次被正式展出，才开创了现代飞行汽车研究与应用的先河[2]。Autoplane依据小型固定翼飞机的原理改造而成，外形如图1.1所示，它一经亮相，

2、便受到广泛关注，吸引了大量的爱好者和相关领域的专家。但受限于当时的科学水平和技术条件，飞行汽车的发展一度比较缓慢。近年来，随着科学技术的发展，一大批新材料、新技术、新工艺和新装备陆续涌现，为飞行汽车带来了新的研究热潮，与飞行汽车有关的专利的数量与日俱增，各式的原型机也相继问世。同时，随着飞行汽车的研究而不断走向深入的，还有其商业化进程。飞行汽车之所以受到如此广泛的关注，是因为目前全球各大中型城市接近饱和的地面交通容量，以及军用领域对小型陆空两栖机动平台的广泛需求。在此背景下应运而生的飞行汽车，正是凭借其不可比拟的陆空两

3、栖机动性能，迅速成为各国竞相研发的焦点[3]。在民用方面，它可用于交通运输、观光旅游、物流、农药播撒和地质勘探等；在公共安全领域，它可用于处置各种突发事件，如紧急救援、消防、抢险救灾、特警执法等；在军用领域，它作为一种小型机动作战平台，更适合执行警戒巡逻、侦察、电子对抗、应急通信以及后勤保障等任务，它甚至能够作为一种小型舰载机在航空母舰上进行起降，执行预警、搜救、反潜和扫雷等任务。不同的航空器与汽车相结合，产生了结构和飞行原理都迥然相异的飞行汽车，目前技术相对成熟且具有一定代表性的有固定翼式飞行汽车(见图1.2)、自转

4、旋翼式飞行汽车(见图1.3)、动力滑翔伞式飞行汽车(见图1.4)和涵道式飞行汽车(见图1.5)等[4]，而尚处于理论研究阶段的有喷气式飞行汽车[5]、真空囊式飞行汽车[6]和扑翼式飞行汽车[7]等。1.2桨叶优化设计的研究现状及本课题研究意义桨叶的动力学优化设计，是以桨叶的固有振动特性和动力响应为目标或约束的优化设计，主要包括桨叶动力学调频、桨叶模态修型、最小化桨毂载荷和最小化机体振动水平四个方面。设计变量主要是桨叶的刚度和质量分布，如大梁的形状和尺寸、配重的质量和位置，以及桨叶的剖面形状和尺寸等。约束条件有桨叶的转动

5、惯量、剖面拉应力和颤振稳定性等[10]。飞行汽车作为一种新型航空器，采用的旋翼桨叶与其他旋翼飞行器的桨叶略有不同，但并无本质区别，过去几十年桨叶优化设计的发展，仍然为当前的研究提供了宝贵的借鉴和参考。长期以来，桨叶的优化设计工作是靠基于经验的多方案设计和优选法来进行的，选优的手段一是靠分析，二是靠实验，显然这样的优选结果只是几个预设方案中的较优方案，不会是数学意义上的最优结果。最先将动力学优化设计方法用于桨叶设计的是Biela和Chopra[12]为灵敏度分析做出了开创性的贡献，他们给出了桨叶气动响应、气动弹性稳定性和

6、桨毂力的灵敏度解析表达式，使灵敏度分析方法在此后得到了广泛的应用。在桨叶的动力学优化设计里，调频技术相对成熟，因为它不涉及桨叶的气动力和振型，Peters等人[13]对此研究得较早。Peters等人以桨叶频率与容许频带的平方差加权为目标函数，以桨叶惯量为约束条件，研究了全铰接式、无铰式和跷跷板式三种旋翼结构形式下的桨叶优化设计，指出调频优化是桨叶动力学优化设计中简便有效，且不易引起稳定性问题的最佳方法。第二章拓扑优化和有限元理论2.1引言有限元方法是随着计算机的发展而兴起的一种数值计算方法，它能对工程实际中不规则的几何

7、形状以及复杂的载荷、支承情况进行分析，这是经典力学方法所不能及的，目前，利用有限元软件进行仿真分析，已经在工程技术领域发挥了不可替代的作用。作为桨叶优化设计研究的基础，本文简要介绍拓扑优化理论和有限元方法的基本概念和基本原理。均匀化方法的理论发展可以追溯到20世纪70年代，它假定用一种均匀的材料来代替复合材料，使复合材料产生的变形与均匀材料相同。在均匀化法的理论中，复合材料模型可视为微结构胞元在空间的组合与重复[37]，通过引入带空洞的胞元模型(见图2.1)来求解材料的宏观特性参数，进而寻求一种用宏观量来表达材料微观量

8、变化特征的方法[40]。2.2拓扑优化理论结构的分布包括拓扑、形状、尺寸和材料组织四个方面，对应着优化设计中拓扑优化、形状优化、尺寸优化和材料优化四个不同层次的问题。结构拓扑优化是一种比尺寸优化、形状优化和材料优化更高层次的优化方法[35]，它是在一个给定的设计域内去除某些对结构刚度或强度贡献不大的材料，寻求设计域内材料去除区域的