03复合材料剪裁机翼对倾转旋翼气弹稳定性的参数影响分析-杨自鹏(8)

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文复合材料剪裁机翼对倾转旋翼气弹稳定性的参数影响分析杨自鹏董凌华杨卫东(南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京，210016)摘要：倾转旋翼机作为一种新型的飞行器，通过旋翼的倾转，实现直升机飞行模式和螺旋桨飞机飞行模式之间的动态转换。飞机模式高速前飞时弹性机翼和旋翼之间的气弹耦合会导致倾转旋翼机发生回转颤振现象。本文首先通过复合材料铺层设计对于机翼盒形梁的静力学特性影响分析，掌握复合材料剪裁设计的作用机理并验证分析模型的有效性；进而开展带有铺层剪裁设计的薄壁复合材料盒形机翼大梁对倾转旋翼机回转颤振

2、抑制的参数影响分析。分析结果表明，通过有效的铺层设计，复合材料机翼可以明显提高倾转旋翼机的回转颤振边界。关键词：旋翼；倾转旋翼；稳定性；气弹耦合；回转颤振0引言倾转旋翼机作为一种新型的飞行器，利用安装在机翼端部可以倾转的旋翼，实现直升机飞行模式和螺旋桨飞机飞行模式之间的转换，使其具有直升机的垂直起降与空中悬停能力，还兼备螺旋桨飞机高速巡航的能力。倾转旋翼机弹性机翼/短舱/旋翼等部件的气弹耦合问题比直升机旋翼/机体的耦合严重的多，尤其倾转旋翼机在飞机模式大速度前飞时存在着严重的前飞动力学稳定性问题。倾转旋翼机的回转颤振现象是一种非常危险的气弹耦合

3、现象，当发生回转颤振不稳定现象时，旋翼的挥舞与机翼的扭转及弯曲变形会迅速增大，导致结构的破坏，发生灾难。由于机翼的弹性弯曲与扭转变形对回转颤振影响比较大，倾转旋翼与弹性机翼之间存在着明显的非线性、非定常的气弹耦合，因而倾转旋翼的动力学研究必须建立考虑倾转旋翼/机翼气弹耦合的动力学分析模型。本文主要研究内容：首先通过复合材料铺层设计对于机翼盒形梁的静力学特性影响分析，掌握复合材料剪裁设计的作用机理并验证分析模型的有效性；进而针对倾转旋翼与弹性机翼之间气弹耦合问题，基于Hamilton原理，建立倾转旋翼机的气弹动力学模型；最终开展铺层剪裁设计的盒形

4、机翼大梁对倾转旋翼机回转颤振抑制的参数影响分析。1倾转旋翼机前飞状态多体动力学建模1.1倾转旋翼/机翼耦合系统坐标系如图1所示，惯性坐标系，定义在未变形机翼的弹性轴上；变形后的机翼坐标系与惯性系间相差三个方向角。倾转坐标系定义在倾转铰上，随倾转短舱绕倾转轴倾转角度，直升机模式时定义为0。，螺旋桨飞机模式为-90。。桨毂坐标系方向与倾转坐标系相同，桨毂坐标系相对倾转铰有三个方向偏置，旋转坐标系，相对桨毂坐标系轴旋转方位角。桨叶挥舞坐标系，相对旋转坐标系轴有仰角，为万向铰挥舞角，为预锥角。为桨叶剖面坐标系。7431.1复合材料盒形梁有限元模型(a)

5、(b)(c)图2机翼大梁对称与反对称铺层示意图本文采用的用于模拟机翼大梁的复合材料梁为单闭室盒形梁，梁的剖面如图2(c)所示，具有上、下层((1)、(2))和竖直层((3)、(4))四个壁，每个壁可以当作层合板进行处理。采用矩形截面的盒形大梁可以通过静凝聚的方法计算得到近似的翘曲函数，详细见文献[5],[8]。对于复合材料层合梁(1)、(2)面，第K层的本构关系为：令，得到把式(1.2)代入式(1.1)得到静凝聚后的本构关系式中：同样可以得到竖直层静凝聚的本构关系，详细见文献[5],[8]。把薄壁层合梁的每个壁看作层合板，每个层合板看作单层的板

6、，板的合力可以通过面积分得到。对于竖直层(3)、(4)，板的本构关系为对于层合梁，板的横向面内合力是小量，采用静凝聚技术后简化后得到刚度矩阵A’，对于竖直层内剪切刚度系数可以近似表示为：类似的可以得到水平层面内剪切刚度系数，，从而得到近似的翘曲函数表达式为，其中：，。1.2动力学方程的组集倾转旋翼机气弹动力学方程，由Hamilton原理导出：743式中为弹性机翼与旋翼虚位能之和，为弹性机翼、短舱与各片桨叶虚动能之和，为弹性机翼与旋翼气动虚功之和，建模详见参考文献[1],[11],[12]。本文利用风车状态进行稳定性分析，将桨叶旋转坐标系下的自由

7、度转换到惯性坐标系，与短舱、机翼方程进行组集，得到倾转旋翼/机翼系统动力学方程：式中：M、C、K分别是系统的质量、阻尼和刚度矩阵，F是力矢量。0复合材料盒形梁特性分析如图2(a)、(b)为对称和反对称铺层示意图。基于建立的复合材料盒形梁数学模型，对复合材料盒形梁的静力学特性进行分析和验证。本文复合材料机翼梁静特性分析模型如下：1)复合材料为一细长直梁，2)梁剖面为单闭室盒形，如图2(c)，3)根部约束条件为固支。本文采用和文献[5]相同的几何尺寸、材料及弹性常数和纤维铺层情况，见表1。表1复合材料梁的几何尺寸、纤维特性及铺层情况梁的几何尺寸材料

8、特性纤维特性长L(m)0.762纤维材料Gr/Epoxy(AS4/3501-6)宽c(m)0.052E1(N/m2)1.42×1011高d(m)0.0