01电控旋翼桨叶颤振特性分析-戴昌(7)

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文电控旋翼桨叶颤振特性分析戴昌陆洋（南京航空航天大学旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016）摘要：针对电控旋翼易产生的挥扭耦合不稳定现象，本文基于Hamilton原理，在旋转系下将电控旋翼桨叶挥舞、变距铰的刚性转角作为广义自由度，推导了电控旋翼桨叶的挥扭耦合动力学方程；并以改进型电控旋翼为算例，利用时域法识别系统的模态阻尼与频率，进行颤振特性研究。研究结果表明：旋翼转速、桨根扭转刚度、桨叶有效重心位置，前飞速度对电控旋翼颤振特性有重要影响。关键词：电控旋翼；桨叶；气弹响应

2、；颤振特性1引言电控旋翼是本世纪初提出的一种新概念旋翼系统，被认为是九项航空革命性概念（REVCON）项目之一[1]。电控旋翼通过控制位于桨叶后缘的伺服襟翼使桨叶变距，实现旋翼操纵。它给旋翼操纵带了了很大的便利，但同时要求桨根扭转刚度很低或者桨叶很柔软，这使得桨叶的基阶扭转固有频率与常规直升机相比要小很多，颤振现象更容易发生。为弄清襟翼引入后旋翼桨叶出现的稳定性问题，摸清关键设计参数对电控旋翼颤振特性的影响，需要开展专门的电控旋翼颤振特性研究。颤振特性属于气弹稳定性的一个方面，故本文将国内外对电控旋翼气弹稳定性的分析

3、一并进行回顾。国外，美国Ames研究中心的Ormiston针对具有弹性桨根约束的刚体桨叶的电控旋翼，采用二维准定常气动模型计算带襟翼翼型气动力，进行了气弹问题的初步分析[2]。此后，美国Maryland大学的Shen和Chopra进行了较为深入的理论研究，建立了气弹响应分析模型，利用Floquet方法计算特征根，判断系统稳定性，并分析了重要参数对气弹稳定性的影响[3-5]。国内，陆洋对电控旋翼系统进行了较为深入的理论研究，建立了电控旋翼的气弹分析模型[6]。本文开展了电控旋翼颤振特性分析，在Hamilton原理基础上

4、建立电控旋翼刚性桨叶的动力学模型，利用时域（STD）法识别系统模态参数[7]，并通过数值算例进行颤振特性研究，分析重要参数对系统颤振特性的影响。2电控旋翼桨叶动力学模型此处利用Hamilton变分原理导出系统运动方程。对于旋翼系统，由于存在非保守力（气动力，结构阻尼力等），为非保守系统，对于这样的系统，可以适用广义Hamilton原理，表达式如下：（1）上式中是应变能的变分，是动能的变分，是外部力的虚功。电控旋翼模型中各项可分别表达如下：应变能变分：（2）式中，，，729分别为挥舞弹簧刚度系数、扭转弹簧刚度系数以及襟

5、翼扭转弹簧刚度系数。，，分别为挥舞角、变距角以及襟翼偏角。动能变分：（3）式中b代表基本桨叶部分，a代表襟翼部分。为材料密度，为速度矢量。外部力的虚功：（4）式中，，分别为气动力对桨叶挥舞铰、变距铰以及襟翼铰的力矩。根据Theodorsen气动力模型[8]，忽略气动力矩中的浮沉运动，有气动力：（5）气动力对变距轴力矩：（6）气动力对襟翼轴力矩：（7）图1给出了Theodorsen气动力模型中带襟翼翼型的各参数定义，为桨叶迎角，b为桨叶翼型半弦长，a为变距轴位置，l为襟翼移轴补偿，V为来流速度，为外形参数。将气动力和力

6、矩方程沿桨叶径向积分可求得，，。729图1襟翼翼型参数定义把方程（2）、（3）、（4）代入（1）中，将襟翼轴的偏转角作为已知输入值，可获得电控旋翼刚性桨叶运动方程：（8）上式中，、、分别是旋翼桨叶的质量、阻尼和刚度矩阵，是相关项，、、分别为襟翼轴偏转角、桨叶安装角和入流比。将方程（5）转化为状态空间方程：（9）利用Runge－Kutta法求解状态空间方程，可得出各个自由度的响应，通过时域法识别系统的模态参数，根据模态阻尼正负判别系统颤振特性。3数值算例以改进型电控旋翼为研究对象[9]，主要参数如表1所示：表1电控旋翼

7、桨叶型参数翼型OA212襟翼长度0.25m旋翼半径1.4m襟翼弦长0.05m桨叶剖面弦长0.178m根切长度0.3m襟翼移轴补偿率0.24桨叶预安装角11°襟翼中点径向位置0.71R旋翼实度0.0906预锥角2°桨叶扭转惯性矩0.00414kg*m为分析电控旋翼桨叶颤振特性，首先以改进型电控旋翼为基础，分别获得桨叶在不同旋翼转速、桨叶扭转刚度、有效重心位置以及前进比条件下桨叶的挥舞角和变距角的时间历程，然后通过时域法识别模态阻尼，进而判断参数对桨叶颤振特性的影响。在襟翼总距为7.94°，襟翼纵横向周期变距为0°时，选

8、取表2中的四种状态分别分析旋翼转速、桨叶扭转刚度、桨叶弦向有效重心位置（原点在变距轴上，沿翼型前缘为正）以及前进比对桨叶729颤振特性的影响。表2电控旋翼状态参数参数状态旋翼转速（rpm）桨根扭转刚度（Nm/Rad）有效重心位置（m）前进比状态一300—50026.40.00150.1状态二50026.4——36.40.00150.1状态三3