前行桨叶概念旋翼动力学分析方法

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1、航空学报Sep．252014V01．35No．92451—2460ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．eduCBhkxb@buaa．edu．cn前行桨叶概念旋翼动力学分析方法陈全龙h2，韩景龙2一，员海玮21．中国直升机设计研究所旋翼动力学重点实验室，江西景德镇3330002．南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室，江苏南京210016摘要：根据前行桨叶概念(ABC)旋翼配平方程中未知量多于方程数的特点，提出了一种基于优化的配平问题求解方法。进

2、而结合计算流体力学(CFD)／计算结构动力学(CSD)松耦合策略，建立了ABC旋翼动力学分析方法。CFD分析中以非定常Euler／Navier—Stokes方程为控制方程，通过动态重叠网格及动网格方法实现桨叶的运动及变形；桨叶结构模型采用非线性中等变形梁理论建立。以XH一59A直升机为例，对不同前飞速度下的旋翼效率进行了仿真分析，计算结果与飞行试验值吻合良好。仿真结果表明，该旋翼动力学分析方法具有很好的分析精度和收敛性，可广泛应用于ABC旋翼动力学分析。关键词：前行桨叶概念；CFD／CSD耦合；旋翼动力学；气动弹性；直升机中图分类号：V215．3文献标识码：A文章编

3、号：1000—6893(2014)09—245l一10前行桨叶概念(AdvancingBladeConcept，ABC)旋翼系统包括一对共轴、反转、刚性的无铰旋翼。通过上、下旋翼的前行侧反向作用力来平衡桨毂力矩，实现机体的横向及滚转配平。在大速度前飞时，主要由两副旋翼的前行桨叶来产生升力，后行桨叶被卸载，从而避免了后行桨叶失速所引起的速度和载荷因数限制。该构型能显著提高前飞速度和旋翼效率，是新型高速直升机研究的热门方向之一。ABC旋翼系统也带来了很多新的动力学问题，之前已有学者对这些问题进行了研究u。5j，但其工作主要以分析整理西柯斯基公司XH一59A验证机的飞行试

4、验数据为主，或采用非常简化的模型，对其飞行品质及动力学问题进行仿真模拟。近几年，随着西柯斯基公司X2技术验证机的出现，ABC旋翼动力学问题再次成为学者们关注和研究的热点。Blackwell和MillottL60以及Walsh等[70对XH一59A直升机的动力学问题进行了总结，在此基础上，对X2技术验证机在飞行控制、稳定性、机体振动、平尾抖振以及振动主动控制等方面，所存在的动力学问题进行了全面的探讨，并根据试验结果和基于理论气动力模型的KTRAN和CAMRADII软件，对部分问题进行了初步的预测。研究表明[8-9]，由于ABC旋翼的间距较小，两副旋翼间存在较强的气动干

5、扰，已有的较为成熟的理论气动力模型，难以准确分析其气动特性。目前关于ABC旋翼气动弹性问题的仿真分析，尚未见到更新的研究成果。此外，由于ABC直升机的每副旋翼都能独立进行总距和周期变距操纵，同时还有辅助推进装置提供纵向推力，因此其操纵变量比常规旋翼多。在求解飞行配平问题时，其未知量个数通常会多于方程收稿日期：2013—11—22；退修日期：2014—02—13；录用日期：2014·04·24；网络出版时间：2014—05—2312：55网络出版地址：WWW．enki．net／kcms／detail／10．7527／S1000·6893．20140075htmI基金项

6、目：国家自然科学基金(11102085)；国家“863”计划(2012AAll2201)*通讯作者Tel．：025—84896484E-mail：hjlae@nuaa．eduon荸{用格武lChenoL，HanJL，YunHw．Analyticalmethodforadvancingbladeconceptrotordynamics[J]．ActaAeronauticaetAstronauti·caSinica．2014．35(9)：245{．2460．睬全竞．韩景龙，鑫海玮．前行桨叶概念旋翼动力学分析方法￡J]航空学报．2014．35(9)：245

7、-2460i航

8、空学报Sep252014V01．35No．9数，即理论上存在无数组解。在已有的研究中，一般根据试验或经验选取一组配平解，如何通过理论方法确定其最优配平解，目前尚未见到相关研究报道。鉴于此，本文提出了一种基于优化的ABC旋翼配平方程求解方法，根据给定的目标及约束条件来寻找最优解。并采用计算流体力学(CFD)方法对理论气动力模型进行修正，进而通过CFD／计算结构动力学(CSD)松耦合分析方法∽101来求解系统的气动弹性响应。式中：％为z轴方向的应力；&。，为z轴方向的应变的变分；风为面密度；V为速度；L0、西和比以及口分别为桨叶径几、弦向和法向气动力以及俯仰力矩；下