复合材料旋翼结构优化与软件实现

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1、大连理工大学硕士学位论文翼转动周期内的桨毂剪力峰值。结果表明，Taylor的MSP极小化在计及多阶谐波和模态时可能失效。因为剪力计算要迭加各阶谐波和模态的MSP值，它们因正负号不同会相加或抵消。所以应采用后两种优化模型，并同时考虑频率和振型变化对桨毂剪力的影响。Peters等n8’1町以桨叶的多阶频率最佳分布为目标进行调频设计，将频率与给定的容许频带的偏差平方加权和作为目标函数，考虑了频率约束和桨叶转动惯量的下限约束。对铰接式、无铰式和跷跷板式三种旋翼桨叶的频率优化都得到了较好的计算结果，．同时也减轻了桨叶重量。Chattopadhyay和Wa

2、lsh瞳们以重量作为目标函数，以若干阶频率的分布、转动惯量和离心拉应力为约束，优化了外形平面为矩形和尖削两种桨叶，桨叶重量可以减轻13％。Ganguli和Chopra乜Ⅲ1以降低振动载荷和动力学应力为目标，以气弹稳定性和固有频率作为约束，研究了复合材料桨叶的结构优化。Yuan和FriedmannⅢ1对带尖削的复合材料桨叶进行了优化，该工作以铺层角、桨尖后略角和上反角为设计变量，以桨毂振动载荷为目标，以频率分布和悬停气弹稳定性为约束，使桨毂振动载荷得到了降低。在国内程耿东等汹3较早进行了动力学调频优化研究，顾元宪、刘书田等啪矗71提出了一种面向设

3、计的复合材料旋翼桨叶结构动力优化方法，采用典型剖面设计、变量连接、铺层变量连续化等方法，有效处理了剖面内部形状、复合材料铺层、配重质量这3类设计变量，在动力分析模型中考虑了剖面翘曲、耦合变形和陀螺力的影响，约束条件包括了固有频率、‘结构重量、自转惯量等设计要求。向锦武等口踟进行了低振动桨叶的动力学优化设计研究。郭俊贤等凹1以降低旋翼激振力为目标，研究了带气弹稳定性的桨叶减振优化设计。王红州等陋321以降低桨叶重量和桨根应力为目标，开展了铰接式及无铰式旋翼桨叶气弹动力学多目标优化研究。在旋翼桨叶结构动力优化设计方面还有其他一些研究阳’33哪3。从

4、优化设计对象的角度看，国内已成功应用的复合材料旋翼结构优化设计主要有：前沿配重结构优化设计、以剖面结构特性为白变量的优化设计、以剖面结构尺寸为自变量的优化设计、以剖面铺层布置为自变量的优化设计等啪1。本文在顾元宪、刘书田等工作啪’271的基础上开展工作，以蒙皮的铺层厚度及铺设角、剖面结构控制点坐标、配重块和配重条的质量及展向位置为设计变量，除了多阶频率约束外，考虑桨叶重量、桨叶转动惯量、桨叶重心展向位置、剖面重心弦向位置、剖面扭转刚度、铺层总厚度这6个特性，任选前3个中的一个作为设计目标，其余的作为约束，对旋翼桨叶结构进行动力优化设计，并开发W

5、indows风格的集交互式建模、网格剖分、截面特性计算、动力特性计算、优化计算、模型和结果的图形显示为一体的通用软件。复合材料旋翼结构优化与软件实现1．3梁变形理论直升机旋翼是细长式旋转结构(旋转梁)，其材料大都选用复合材料。复合材料的各向异性和非均匀性引起变形的耦合和截面的翘曲变形，从而导致梁的平截面假定不再适用，这给梁的分析带来了困难。对此，直接的办法是将结构作为三维物体，利用连续介质理论直接求解。但这种处理方式没有充分利用结构细长这一几何特点，计算工作量太大，并不可取。有研究表明，复合材料桨叶的梁模型，只要建得适当，可以达到和三维有限元分

6、析几乎相同的精度，而计算量却低了2到3个数量级∞引。合理、精确、高效的梁理论是进行桨叶的截面特性计算、动力分析和结构优化的基础。利用结构细长的几何特点，通过假设截面上的变形分布规律，可以使结构简化为控制方程具有一维特点的分析模型，即一维梁和二维截面问题。对截面变形规律的不同假定，形成了不同的梁变形理论。最经典的梁理论是Euler-Bernoulli理论。该理论采用平截面假定：变形前为平面的横截面，在变形后仍保持为平面，且该平面仍垂直于梁的弹性轴线。该理论解决了大量的工程问题，成为最有影响的理论。由于采用了平截面假定，该理论没有考虑截面剪切变形的

7、影响。Timoshenko理论在Euler-Bernoulli理论的基础上引进截面上的平均剪应变，考虑了剪切变形的影响，假定横截面在变形后仍保持为平面，但不要求同弹性轴线垂直。Timoshenko理论对长细比大于5的各向同性实心梁给出了非常好的结果，解决了大量的工程问题。但是该理论的平面假定不能反映截面翘曲的影响。BauchauH0’413利用特征函数对Bernoulli和St．Venant的解进行了修正，得到了另一类较符合实际的梁变形理论。对复杂截面梁的模型化研究工作主要有两个方面。一方面是梁截面几何的简化，其基本思路是用一简单的截面形式代替

8、实际结构的截面。例如Hong和Chopra“2’431在分析无轴承旋翼的气弹稳定性时将旋翼桨叶截面的承载部分简化为单闭腔的复合材料矩形箱形结构。这类方