32直升机旋转旋翼动力学综合试验技术发展现状-尹春望7

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1、实用标准文案第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机旋转旋翼动力学综合试验技术发展现状尹春望李开成张弹琴（中航工业直升机设计研究所景德镇333001）摘要：旋转旋翼动力学试验是现代直升机研制中最重要的环节之一，其任务是测量隐含在复杂动力学行为中最关键的动力学性能参数实际值，直接关系到直升机的安全、振动水平、使用寿命和乘员的舒适性。该试验十分复杂，风险性高，需要特殊跨学科综合试验技术。本文将简单介绍我国相关综合试验技术的发展情况和现状，以便今后更好地运用和完善。关键词：旋转旋翼；动力学综合试验技术1前言由于特殊的旋翼结构

2、形式，使得动力学问题成为直升机研制中最复杂最关键的问题之一；“一部直升机发展史在很大程度上，可以说是和动力学问题斗争的历史”。“任何成功的直升机，都必须有足够的动力稳定裕度和可接受的旋翼及机体振动载荷及较低的振动水平”。决定直升机振动载荷、振动水平和动力稳定裕度最主要的动力学参数，是直升机旋翼的模态频率和模态阻尼，在研制过程中必须严格控制这些参数。由于旋翼结构的复杂性、分析方法的近似性及材料、工艺加工与理论设计状态之间的不可避免的偏差等诸多原因，使得旋翼模态频率和模态阻尼实际值一般会偏离设计值。单靠理论设计难以控制这些关键参

3、数，而必须通过相应旋转旋翼动力学综合试验，测量实际的模态频率和模态阻尼，并以之来检验完善设计，才能最终实现有效控制。旋转旋翼动力学综合试验包括两个方面的内容。其一是动特性试验，目的在于测量旋翼在各种转速和总距组合状态下的模态频率和振型；其二是稳定性试验，目的在于测量相应的各阶模态阻尼。无论是旋转旋翼的动特性试验还是稳定性试验，都十分复杂和具有高风险性。因为模态频率和模态阻尼隐含在旋转旋翼复杂的动力学行为中，不能直观测量，因此都需要综合多学科知识的特殊试验方法才能使它们显形；同时都需充分利用常规试验和飞行中严格违避的危险的共振

4、现象。正是因为其非常复杂和风险性高，尽管经过了多年探索取得了可观的成果，但有些技术还处在研究完善中。2原始旋转旋翼动力学综合试验方法简介结构动力学试验技术发展多年，迄今已形成较完整成熟的试验技术体系。但这些技术主要针对没有随机干扰的静态结构或是随机干扰（指干扰频率）较少且干扰幅值较小的动态结构。旋转旋翼处在不均匀的大气环境中，各种随机干扰非常多，且干扰幅值较大；直接运用传统的静态结构动力学试验技术，难以获得可靠权威的试验结果。上世纪末，应型号研制动力学攻关需求，开展了旋转旋翼动特性试验技术探索工作。当时主要采用自然激励和激振

5、器快扫频激励（chirp）等原始方法，意图通过分析桨叶剖面的幅频响应曲线来寻找旋翼各阶模态频率。图1、图2给出了自然激励和激振器快扫频激励典型幅频响应曲线；其中图1经过了加窗处理，图2为原始幅频响应曲线。精彩文档实用标准文案图1自然激励幅频响应曲线图2激振器快扫频激励幅频响应曲线加不同的窗可能得到不同的效果，因此加窗处理本身会影响幅频响应曲线的可靠性。此外，无论从图1或图2，都无法直接独立分析出模态频率，都必须参考理论分析结果进行分析。自然激励和激振器快扫频激励法都无法获得相频响应曲线，因此也无法进行相频响应分析和模态分析。

6、显然，这种只能根据幅频响应曲线且必须参考理论分析来获取试验结果的试验方法缺乏权威性；当代直升机型号研制和课题预研，要求以试验结果作为最终检验依据，这种状态无法满足要求。尽管上述动力学试验探索工作没有得到理想的结果，但他们揭示了常规静态结构动力学试验方法应用于旋转旋翼存在的最主要问题：自然激励和激振器快扫频激励方法不能消除随机干扰的影响，同时无法获取相频响应曲线。提示应开发能有效消除随机干扰、能同时获得可靠幅频响应曲线和相频响应曲线的新试验方法。旋转旋翼动特性试验是稳定性试验的基础和前提。既然原始旋转旋翼动特性试验方法难以获得

7、可靠权威的模态频率，或说动特性试验技术不成熟，自然也无法开展相关的稳定性试验方法研究，无法形成可靠的旋转旋翼稳定性试验方法。3新旋转旋翼动力学综合试验方法简介从强迫振动理论可知，当旋转旋翼受到某一频率的简谐激励反复作用足够长的时间后，它将主要以与激励相同的频率进行稳态振动(见图3)；而因存在阻尼，其中瞬态随机干扰引起的振动将很快衰减(见图4)。即从相当长的激励时段来看（激励N个周期），旋转旋翼对应激励频率的响应必然会占主导地位。尽管旋转旋翼所受随机干扰很多且干扰响应较大（见图2），但这些干扰是随机的：某一个激励周期内可能存在

8、某一干扰频率，其它激励周期内可能不存在该干扰频率；或者即使存在该干扰频率，但它们的相位会存在差异。图3随机干扰响应曲线图4简谐激振稳态响应曲线精彩文档实用标准文案当以激励周期为基准时间单位，将N个激励周期时段内所有激励响应进行叠加，则对应简谐激励的稳态响应将放大N倍（见图5），而随机干扰响