基于cfdcsd方法的后掠桨尖旋翼气弹响应研究

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1、NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonAeroelasticResponseofRotorwithSweptBlade-TipBasedonCFD/CSDCouplingMethodAThesisinAerospaceScience&Technology(HelicopterEngineering)byJunyiWangAdvisedbyProf.QijunZhao

2、SubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringDecember,2013万方数据承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描

3、等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：万方数据南京航空航天大学硕士学位论文摘要新型桨尖旋翼高精度气弹响应分析一直是直升机空气动力学与旋翼动力学领域的难题，采用计算流体动力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)耦合方法能显著提高直升机旋翼气弹响应分析的精度，已成为直升机技术研究领域的最新热点。CFD/CSD耦合方法涉及旋翼非定常流场求解、动力学分析以及高效耦合策略等方面，具有十分严峻的挑战性。针对这些困难，本文从旋翼运动嵌套网格生成出发，分别发展了先进桨尖旋翼动力学分析方法和旋翼非定

4、常流场及气动特性数值模拟方法以及高效的流固耦合策略。在弹性旋翼气弹响应CFD/CSD耦合分析的基础上，开展了先进桨尖旋翼气动外形及结构参数的影响特性分析。具体的研究内容如下：第一章，介绍了弹性旋翼流场分析技术的发展，分析了国内外在旋翼流场数值模拟、旋翼动力学分析、旋翼CFD/CSD耦合方法以及新型桨尖旋翼气动外形研究方面的技术现状及难点，并指出了采用CFD/CSD耦合分析方法进行弹性旋翼非定常流场及气动特性数值模拟的必要性和重要意义。第二章，基于运动嵌套网格方法，建立了用于旋翼非定常流场分析的网格系统。分别给出了二维旋翼翼型网

5、格、三维旋翼桨叶网格和笛卡尔背景网格的生成方法。为满足CFD/CSD耦合计算的需要，提出了基于代数变换方法的桨叶贴体网格变形策略，并通过“顶透视图”方法和InverseMap方法实现了弹性旋翼嵌套网格系统内高效的贡献单元搜索和信息插值过程。第三章，建立了一个适合于先进桨尖旋翼桨叶结构动力学分析的有限元方法。根据Hamilton变分原理和中等变形梁理论，推导了桨叶有限单元的应变能、动能和外力虚功的变分表达式，并针对先进后掠桨尖旋翼分析提出了多段转角有限元方法。对动力学方程进行特征值求解以得到桨叶模态，通过引入旋翼配平模型和New

6、mark-Beta方法对前飞旋翼进行动力学响应求解。在此基础上，分别对ADM旋翼、Maryland真空梁和UH-60A旋翼进行了模态计算验证，同时对模型旋翼的气弹响应进行分析，并与试验结果进行了对比，验证了本文所发展的动力学分析方法的有效性。第四章，基于RANS/Euler方程发展了一套适合于旋翼非定常流场数值模拟的CFD方法。对控制方程采用有限体积法(FVM)进行离散，通量计算采用Jameson二阶中心差分格式，时间推进引入双时间步进方法，在伪时间步进行Runge-Kutta迭代，桨叶区域的粘性效应通过B-L湍流模型模拟，并

7、采用Helishape7A旋翼和Caradonna-Tung旋翼验证了本文旋翼非定常流场数值模拟方法的有效性。第五章，在上述分析方法建立的基础上，采用CFD/CSD松耦合策略构建了一套适合弹性旋翼流场数值模拟的流场/结构耦合方法。同时，引入高效的代数网格变形方法进行流场和结构i万方数据基于CFD/CSD方法的后掠桨尖旋翼气弹响应研究间信息的插值传递，实现流固耦合迭代过程。分别采用SA349/2旋翼和UH-60A旋翼对所建立的旋翼CFD/CSD耦合策略进行了验证，并针对具有后掠桨尖外形的UH-60A旋翼开展了桨尖气动外形参数化研

8、究，分析了桨尖后掠角度对旋翼气弹特性的影响，得到后掠桨尖弹性旋翼有助于改善桨尖区域压强分布等的新结论。第六章，运用本文所建立的旋翼CFD/CSD耦合方法分析了结构参数变化对旋翼气弹响应的影响特性。通过改变UH-60A后掠桨尖旋翼的桨叶扭转刚度和挥舞刚度，研究了旋翼气弹特性随结