27直升机桨叶扬起下坠模拟试验与数值分析-林长亮(5)

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机桨叶扬起下坠模拟试验与数值分析林长亮1王浩文2王益锋3陈仁良1（1南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京，2100162清华大学航天航空学院，北京，1000843中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海，200232）摘要：针对两种桨根约束形式的直升机桨叶的扬起下坠碰撞进行了模拟试验。采用动态应变仪和LMS测量分析仪测到了桨叶扬起下坠碰撞的动态响应结果，为类似碰撞研究提供了一系列的试验数据。根据试验结果，对桨叶扬起角度以及根部约束等情况进行了分析，同时采用接触碰撞方法对桨叶扬起下坠动态响应进行了

2、数值计算，计算结果与试验数据吻合较好。基于数值计算方法，并对桨叶扬起下坠过程中的刚柔耦合问题进行了分析。关键词：直升机；桨叶；扬起下坠；数值计算；动态响应1引言桨叶扬起下坠问题是一个典型的直升机碰撞问题，是强度规范地面载荷情况中一种较严重的情况。图1给出了直升机桨叶扬起下坠碰撞的示意图。旋翼桨叶在地面不旋转，不系留或以小速度运转时，在较强的突风影响下，由于此时的桨叶离心力和离心限动块的释放，可能会出现桨叶与挥舞限动块碰撞的现象，导致桨尖位移过大与尾梁或机身碰撞的事故，轻则造成桨叶和机体损伤，重则会导致桨叶、机体损坏[1]。近年来，随着舰载直升机的发展，国内外学者对

3、此进行了深入的研究。Fathi[2]和Wang[3]研究了悬臂梁与弹性体碰撞问题，Chen[4]分别对桨叶扬起下坠约束和释放状态进行了研究，Bottasso[5]按一般的接触问题将接触力分为弹性力和耗散力,而耗散力计算涉及接触的材料特性等。在分析中，一般将挥舞限动块处理成具有较大刚度的角弹簧。HaoKang[6-8]采用刚度随角位移变化的角弹簧处理挥舞限动块，Keller[9]采用中等变形梁模型处理桨叶弹性变形，直接采用较大常刚度的角弹簧，用根部位移对展向坐标的一阶导数处理挥舞和摆振铰刚性运动对扬起下坠进行了分析。韩东[10]采用中等变形梁模型，引入有限转角模拟桨

4、叶绕铰的刚性运动，将桨叶的刚性运动按平动和转动分别处理。本文着重讨论桨叶扬起下坠模拟试验和数值计算。通过动态应变仪和LMS测量分析仪得到了桨叶扬起下坠碰撞的动态响应结果，为直升机桨叶扬起下坠碰撞研究提供了一系列的试验数据。在数值计算中，采用接触碰撞方法，设定桨叶下表面为从属面，限动块上表面为主面，计算结果与试验数据吻合较好。基于数值计算方法，对桨叶扬起下坠过程中的刚柔耦合问题进行了分析。图1直升机桨叶扬起下坠示意图8932桨叶扬起下坠模拟试验与结果分析2.1试验装置图二为扬起下坠试验装置图。试验选用的梁为不锈钢材料，弹性模量为2.0×1011N/m2,密度为7.9

5、×103kg/m3，泊松比为0.26。梁长1.2米，宽0.03米，厚0.006米，根部夹持结构长0.065米，宽为0.03米，厚为0.018米，角弹簧刚度为0.5×102N/rad。挥舞限动角为0。主要的仪器设备有：LMS测量分析仪、电阻应变片、CS动态应变仪、A/D转换卡、计算机、加速度传感器等。测量电桥采用半桥接法，应变片位于距桨叶根部0.11m、0.19m、0.29m、0.38m和0.48m处上下表面处。加速度传感器位于距桨尖位置0.12m上表面弦向中心处，通过对测得的加速度曲线对时间二次积分得到桨叶位移曲线。图2试验装置图2.2试验步骤首先对铰接式桨叶进行

6、实验，试验步骤如下：(1)按选定剖面位置布置应变片和加速度传感器，连接仪器并调试；(2)将桨叶抬起至初始挥舞角(4°、6°、8°、15°、25°)，并固定；(3)无初速度释放桨叶使桨叶在重力作用下下挥；(4)采集应变及加速度信号。(5)根据实验数据计算各测试点处的应变以及加速度传感器位置处的位移。然后通过在根部施加角弹簧来改变根部约束形式，按上述步骤进行实验。2.3试验结果与分析图3，图4分别给出了在不同的挥舞角条件下，距离桨根0.11米处应变、加速度传感器位置处的位移，随时间变化的响应曲线。从图3中可看出，应变值随着挥舞角度的增加而增加；在小挥舞角时，应变曲线比

7、较平缓，而在大挥舞角时，应变曲线比较剧烈。从图4可以看出随着初始挥舞角度的增加，位移的峰值和响应时间也增加。图3应变随时间变化曲线图4位移随时间变化曲线893从图5中可以看出，在相同的挥舞角条件下，位置越靠近桨叶根部，最大应变值越大；在保持径向位置不变时，挥舞角增加，最大应变值也增加。图5最大应变值随径向位置的变化图上述试验桨叶在初始释放时均为铰接式，为研究根部约束对扬起下坠的影响，在根部加一角弹簧，图6，7给出了当挥舞角为6、根部施加弹簧时，加速度传感器所在位置位移、x=0.11m处应变随时间的变化曲线。通过对比可以看出，传感器所在位置处位移峰值变大，增加了29

8、.8%；应