专利名称：一种降低直升机旋翼桨毂振动载荷的方法
技术领域：
本发明属于直升机动力学设计领域，具体涉及一种降低直升机桨毂振动载荷的新方法。可以应用于无铰式和无轴承直升机复合材料旋翼桨叶设计。
背景技术：
旋翼结构是直升机的关键结构部件，其周期性振动是直升机产生振动的根源。降低直升机旋翼的振动水平能够大大改善乘员的舒适性和系统与设备的功能和安全性能。从直升机诞生到现在，旋翼减振问题始终是直升机设计最重要的问题之一。经过几十年的不断努力，现代直升机的振动水平已有了明显的降低。随着航空工业不断发展，虽然直升机的性能在不断提升，为了保证其整体效能，各国制定的直升机振动水平标准也在不断提高，如美国曾提出振动水平不大于O. 05g的要求，但是要使直升机振动水平降低到设计要求还需要更为先进的旋翼系统和设计方法。
直升机减振可以从减小旋翼本身的激振力、减小传递到机身的激振力和直接控制或减小机身的振动等三个方面进行结构设计。由于旋翼是直升机振动的根源，降低旋翼的振动水平自然成为了最理想的设计目标。由于旋翼的工作环境极其复杂，在工程设计中采用较为广泛的有被动式的吸振和隔振方式，但是这会造成旋翼结构部件的增加和维护费用的上升。因此主动减振技术是直升机减振的重要方面。复合材料在直升机上的应用为旋翼桨叶主动减振设计提供了一个重要的方向，通过复合材料剪裁设计来合理利用挥舞/摆振 /扭转等弹性耦合能够提高直升机的动稳定性，并大大改善旋翼桨叶的振动水平。复合材料旋翼桨叶在直升机旋翼减振设计中具有极其广阔的应用前景。为了得到先进的直升机旋翼系统，通过复合材料旋翼桨叶的剪裁设计减小旋翼本身的激振力，以达到降低旋翼振动水平的主动减振方法成为了必然的选择。桨毂是直升机机身最直接与旋翼桨叶连接的结构，并且桨毂载荷是旋翼激振力的重要表现形式，因此降低桨毂载荷是直升机减振设计最常见的目标之一。由于复合材料的出现，使得现代无铰式和无轴承直升机的减振设计出现了许多新问题和新现象。传统的针对降低桨毂载荷的优化设计方法主要围绕较为简单的单盒或双盒梁截面的简化旋翼桨叶结构进行，而这种情况下提出的方法难以在实际桨叶设计中采用。因此需要建立一套针对实际桨叶结构的优化设计方法。
发明内容
本发明针对目前的优化设计方法难以模拟实际的直升机旋翼桨叶问题，提出了一种以实际旋翼桨叶为背景，降低旋翼桨毂载荷为目标的优化设计方法。该方法用梁模型模拟实际的复合材料旋翼桨叶，该梁模型具有C型翼梁、D型翼盒、前肋、后肋和蒙皮等结构。优化模型中的目标函数为桨毂载荷；旋翼桨叶设计变量包括剖面设计变量(剖面结构型式)、铺层设计变量(包括复合材料铺层角度及其厚度)、集中质量设计变量(包括集中质量及其位置)和桨尖设计变量(包含桨尖后掠角、桨尖起始部位、尖削比和终止位置等);约束函数为固有频率、桨叶惯量和气弹稳定性等。本发明的降低直升机旋翼桨毂振动载荷的方法的主要步骤如下第一步根据实际的旋翼桨叶结构建立相对应的桨叶优化模型；所述的桨叶优化模型中的目标函数为桨毂载荷；旋翼桨叶设计变量包括剖面设计变量、铺层设计变量、集中质量设计变量和桨尖设计变量；约束函数为固有频率、桨叶惯量和气弹稳定性等。第二步求解桨叶优化模型。第三步输出桨叶设计参数，得到最优的旋翼桨叶结构模型。采用本发明提出的降低直升机旋翼桨毂振动载荷的方法，以旋翼桨毂载荷为目标函数，气弹稳定性等为约束条件，通过旋翼桨叶结构的优化，能够达到降低桨毂振动载荷的目的，更容易在实际旋翼桨叶设计中采用。
图I是本发明中采用的直升机旋翼桨叶剖面示意图；图2是本发明中的桨叶剖面相对位置示意图；图3是本发明中采用的桨尖结构示意图；图4是本发明提供的降低直升机旋翼桨毂振动载荷的方法流程图；图中I、C型翼梁； 2、D型翼盒； 3、前肋；4、后肋；5、蒙皮6、桨叶；7、桨尖。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明提出的一种降低直升机旋翼桨毂振动载荷的方法进行详细说明。本发明提出的降低直升机旋翼桨毂振动载荷的方法，以实际旋翼桨叶作为设计对象，通过对旋翼桨叶的优化设计，达到降低旋翼桨毂振动载荷的目的。如图I所示，旋翼桨叶主要由C型翼梁1、D型翼盒2、前肋3、后肋4和蒙皮5组成，并按照如下步骤进行优化设计，具体如下第一步，建立桨叶优化模型。本发明的目标是降低旋翼桨毂振动载荷，桨毂载荷是旋翼桨叶振动的主要表现形式，因此选取了旋翼桨毂载荷作为目标函数；设计变量则为剖面设计变量、铺层设计变量、 集中质量设计变量和桨尖设计变量等；为了得到更为准确可靠的减振设计结构，选择固有频率、气弹稳定性和桨叶惯量作为约束条件，具体描述如下I)设计变量降低旋翼桨毂振动载荷方法考虑的主要设计变量有剖面、铺层、集中质量、桨尖
坐寸οCa)首先是桨叶翼型典型剖面设计变量，机翼处于如图I所示的坐标系xoy中，x 轴通过翼型剖面的重心和刚心，坐标原点ο位于机翼最左端，剖面设计变量V1如下所示
V1 = (X1, x2, J2, x3, X1, X2) (O其中Xl，x2, y2和X3为C型翼梁上确定桨叶剖面形状的设计点坐标，X1和X2为前肋3和后肋4的位置，通过这几个参数能够确定桨叶剖面形状。如图2所示，在旋翼桨叶6设计时，选取某些典型剖面作为设计变量，而位于选取的桨叶典型剖面之间各单元的剖面设计变量V由两端典型剖面的设计变量线性连接得到V= ξν_+(1-ξ)ν. (2)其中V_和V+为典型剖面设计变量，下标和“ + ”分布代表左右两侧的典型剖面， I为位于两个典型剖面之间的设计剖面距离左侧典型剖面的无量纲化距离，其值为设计剖面与左侧典型剖面之间的距离与其两侧典型剖面之间的距离之比。(b)其次是复合材料铺层设计变量，铺层设计变量又分为蒙皮铺层和D型翼盒铺层两类，主要考虑铺层角度和厚度，铺层设计变量V2如下V2 = ( Θ Θ 2 t2. . . Θ n tn) (3)其中θ ρ Θ 2，. . . θη为各个复合材料铺层角度A1, t2, . . . tn为各个复合材料铺层厚度；n为复合材料铺层层数。(C)然后是集中质量设计变量，在旋翼桨叶设计中有时必须采用集中质量块或配重条，可以采用以下参数确定V3 = (NB, M1,11,... Ms, Zs, NT, MT1, Z11, Z12. · ·，MTr, Zrl，Zr2) (4)其中NB为质量块个数，M1……Ms和Z1……Zs分别为各质量块的质量和展向部位， 且S = 1，2· · · NB;NT为配重条的个数，MT1……MTr, Z11……Zrl和Z12……Zr2分别为各配重条的单位长度质量和展向的起止位置，且r = 1,2... NT。(d)最后是桨尖设计变量，如图3所示，桨尖设计变量V4包括了桨尖7后掠角As、 起始部位、尖削比Rt和终止位置ZRT，即V4 = (As, ZAj, Rt, ZRt) (5)2)目标函数本发明以直升机旋翼桨毂减振作为设计目标，而桨毂载荷是旋翼振动的主要表现形式。选取了以上的设计变量后，将承受的桨毂力作为目标函数，桨毂会同时受到桨毂力和力矩的作用，目标函数可以是如下所示的桨毂力和力矩的组合或者仅仅是桨毂力
权利要求
1.一种降低直升机旋翼桨毂振动载荷的方法，其特征在于所述的方法用梁模型模拟实际的复合材料旋翼桨叶，该梁模型具有C型翼梁、D型翼盒、前肋、后肋和蒙皮结构，主要步骤如下第一步根据实际的旋翼桨叶结构建立相对应的桨叶优化模型；所述的桨叶优化模型中的目标函数为桨毂载荷f (D);旋翼桨叶设计变量包括剖面设计变量、铺层设计变量、集中质量设计变量和桨尖设计变量；约束函数为固有频率、桨叶惯量和气弹稳定性；具体如下目标函数Min (f (D))其中f(D) = Kf[(Fx)2+(Fy)2+(Fz)2] 1/2+KM[ (Mx)2+(My)2+(Mz)2]1/2 或 f(D) =K1FJK2F^K3Fz 固有频率约束条件
2.根据权利要求I所述的一种降低直升机旋翼桨毂振动载荷的方法，其特征在于桨叶剖面设计变量采用了如下所示V1设计变量确定，即桨叶在坐标系中的坐标值确定典型剖面，而典型剖面之间的剖面形状则通过线性连接得到；复合材料铺层设计变量为铺层角度和厚度；集中质量设计变量为各个质量块的质量及其展向位置，配重条的单位长度质量及其起始位置；浆尖设计变量包括后掠角、起始部位、尖削比和终止位置；V1 — (X1, X2, y2, X3，X” 父2)其中X1, X2, Y2和X3为C型翼梁上确定桨叶剖面形状的设计点坐标，X1和X2为前肋和后肋的位置，通过这几个参数能够确定桨叶剖面形状。
3.根据权利要求I所述的一种降低直升机旋翼桨毂振动载荷的方法，其特征在于求解桨叶优化模型的步骤，具体如下(1)给定原有旋翼桨叶设计方案，作为给定的当前设计方案；(2)计算当前设计方案的二维桨叶剖面特性，首先得到当前桨叶剖面的固有特性参数， 从而得到桨叶惯量；然后通过求解由哈密尔顿原理建立一维梁的运动方程，得到桨叶固有频率及其振型；最后计算得到桨叶气弹响应和稳定性；(3)计算目标函数、约束条件首先由桨叶气弹响应计算得到桨根部位的力，然后通过坐标变换得到桨毂载荷，约束条件函数有步骤(2)已得到；(4)采用线性近似方法对目标函数和约束条件进行近似，并求解近似问题，获得优化解； (5)若得到的优化解满足收敛条件，则结束，否则以得到的优化解作为新的设计方案重复(2) (4)步，直到得到 收敛的结果。
全文摘要
本发明公开了一种降低直升机旋翼桨毂振动载荷的方法，所提出的方法针对实际复合材料旋翼桨叶，桨叶截面具有C型翼梁、D型翼盒、前肋、后肋和蒙皮等结构，桨叶后端具有桨尖结构。桨叶优化设计以桨叶翼型典型剖面参数、复合材料铺层、翼尖后掠角和集中质量等作为设计变量，桨毂载荷作为目标函数，并以固有频率、气弹稳定性和自旋转动惯量作为约束条件建立优化模型。优化问题求解中使用了分级优化策略，并采用了复形法和改进的可行方向法相结合的算法。采用本发明提出的方法对旋翼桨毂进行减振优化设计能够显著降低桨毂载荷。
文档编号G06F17/50GK102722606SQ20121016467
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者任毅如, 向锦武, 张亚军, 罗漳平, 郭俊贤, 黄明其 申请人:北京航空航天大学