一种变转速控制旋翼离心力低周载荷谱编制方法与流程

本发明属于直升机强度设计领域，涉及一种变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法。

背景技术：

1、随着电动垂直起降飞行器的蓬勃发展，电机驱动、变转速控制旋翼具有操纵灵活、结构简单的优点，但变转速控制给旋翼疲劳设计带来了挑战。作为各类载荷中绝对量值最大的旋翼离心力不再是传统定转速旋翼的恒定值，而变为随着飞行状态改变而改变的、具有典型低周特征的疲劳载荷。而低周疲劳载荷谱是旋翼疲劳设计的重要输入之一，传统航空器低周疲劳载荷谱编制需要包含各飞行状态使用顺序的任务谱或称任务剖面；而由于电动垂直起降飞行器使用具有灵活机动的特点，实际飞行操纵中状态间交替变化难以预测，而仅可以根据统计获得各状态累计时间占比的高周谱。为了编制与实际疲劳损伤相当或相对保守的变转速旋翼低周载荷谱，需要提出一种新的变转速旋翼载荷谱处理方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提出一种变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法，满足变转速控制旋翼疲劳设计与评定的要求。

2、本发明的技术方案是：一种变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法，挥舞铰处离心力低周疲劳载荷谱的编制步骤如下：

3、[1]计算某飞行状态i的挥舞铰处离心力：式中fck为某飞行状态i下的离心力，m为桨叶质量，l为桨叶展向质心距挥舞铰距离,βi为某飞行状态i中旋翼转速ωi对应的旋翼挥舞角；

4、[2]对各状态挥舞铰处离心力fci按载荷排序得到载荷矩阵[fcij，ni]0，其中i为状态序号，j＝1，2，3……m，j为按载荷数值从大到小排列的序号；

5、[3]构建低周疲劳载荷循环历程：从[fcij,ni]0取fci1与fcjm即最大载荷和最小载荷配对和公共次数n0，构成第1级低周疲劳载荷循环历程fclcf1；[fcij,ni]0剩下的部分构成新的排序[fcik,nl]1，再从[fcik,nl]1中取最大载荷和最小载荷配对和剩下的公共次数n1,组成第2级低周疲劳载荷循环历程fclcf2；[fcik,nl]1剩下的部分组成新的排列[fcip,np]2，以次类推，得到[fclcf,k,nk],低周载荷级数k需要通过该载荷谱疲劳损伤达到收敛：绘制fclcf,k各载荷谱的寿命曲线，取出对应目标寿命的疲劳极限sk；确定满足sk-1>δ×sk条件的最小k值，δ为收敛因子。

6、所述步骤一中的飞行状态i旋翼转速的典型值ωi指的是，在稳定飞行状态中，旋翼转速典型值为均值或中值，在机动飞行状态中，旋翼转速典型值为最小值或最大值。

7、所述步骤一中，旋翼挥舞较βi通过求解任务谱中对应飞行状态i的旋翼运动获得。

8、所述步骤二中，离心力排序一般为从大到小排序。

9、所述步骤三中，低周载荷循环历程是指飞行状态之间的动载荷典型值的差。

10、所述步骤三中，公共次数n是指最大载荷出现次数和最小载荷出现次数中最小的数，该公共次数为自然数。

11、所述步骤三中，寿命曲线是指使用载荷谱和材料疲劳s-n曲线迭代计算得到的载荷表达形式。

12、所述收敛因子δ取值从0.97到0.999。

13、本发明的有益效果：本发明提出了一种变转速控制旋翼离心力低周载荷谱编制方法，该方法是对变转速控制旋翼疲劳寿命计算方法的重要补充，补充了以往恒定转速旋翼定寿未考虑的离心力低周疲劳分析，为电动垂直起降飞行器疲劳寿命评定奠定了基础。

技术特征：

1.一种变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法，其特征在于，所述步骤一中的飞行状态i旋翼转速的典型值ωi指的是，在稳定飞行状态中，旋翼转速典型值为均值或中值，在机动飞行状态中，旋翼转速典型值为最小值或最大值。

3.根据权利要求1所述的变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法，其特征在于，所述步骤一中，旋翼挥舞较βi通过求解任务谱中对应飞行状态i的旋翼运动获得。

4.根据权利要求1所述的变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法，其特征在于，所述步骤二中，离心力排序一般为从大到小排序。

5.根据权利要求1所述的变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法，其特征在于，所述步骤三中，低周载荷循环历程是指飞行状态之间的动载荷典型值的差。

6.根据权利要求1所述的变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法，其特征在于，所述步骤三中，公共次数n是指最大载荷出现次数和最小载荷出现次数中最小的数，该公共次数为自然数。

7.根据权利要求1所述的变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法，其特征在于，所述步骤三中，寿命曲线是指使用载荷谱和材料疲劳s-n曲线迭代计算得到的载荷表达形式。

8.根据权利要求1所述的变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法，其特征在于，所述收敛因子δ取值从0.97到0.999。

技术总结
本发明属于直升机强度设计领域，涉及一种变转速控制旋翼离心力低周疲劳载荷谱编制方法。本发明通过计算某飞行状态i的挥舞铰处离心力，得到载荷矩阵[Fcij，ni]0，从[Fcij,ni]0取Fci1与Fcjm即最大载荷和最小载荷配对和公共次数n0，构成第1级低周疲劳载荷循环历程FcLCF1；[Fcij,ni]0剩下的部分构成新的排序[Fcik,nl]1，再从[Fcik,nl]1中取最大载荷和最小载荷配对和剩下的公共次数n1,组成第2级低周疲劳载荷循环历程FcLCF2；以次类推，得到[FcLCF,k,nk]低周载荷级数k需要通过该载荷谱疲劳损伤达到收敛：绘制FcLCF,k各载荷谱的寿命曲线，取出对应目标寿命的疲劳极限Sk；确定满足Sk‑1>Δ×Sk条件的最小k值。该方法补充了以往恒定转速旋翼定寿未考虑的离心力低周疲劳分析，为电动垂直起降飞行器疲劳寿命评定奠定了基础。

技术研发人员：崔韦,孟雷,王菲,宋彬,刘道建
受保护的技术使用者：中国直升机设计研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8