直升机桨叶耦合振动的研究与数值分析

文章利用有限元法推导了直升机桨叶的耦合振动的频率方程，提出了有效的计算方法－直接迭代法，从而计算了桨叶第一至第四阶固有频率。     

基于非结构嵌套网格的旋翼-机身干扰流场数值模拟

文章基于非结构动态嵌套网格对直升机旋翼/机身干扰非定常流场进行了数值模拟研究。流场区域被分为2个相互嵌套的子域,即运动区和静止区。运动区包含桨叶,并且随着桨叶一起旋转,静止区包含机身,通过重叠区域传递流场信息。采用非定常Euler方程和双时间推进方法模拟了美国佐治亚理工学院旋翼/机身干扰实验外形非定常流场,并将计算结果与实验值以及文献的计算值进行了对比分析,吻合较好,得出了旋翼机身干扰的一些规律。     

共轴双旋翼悬停地面效应分析

共轴双旋翼直升机在近地悬停时存在复杂的旋翼/旋翼/地面干扰效应.为分析近地悬停时共轴双旋翼流场及拉力变化,发展一种共轴双旋翼悬停地面效应计算方法.首先,分别采用升力面法和面元法模拟桨叶和地面对流场的作用,使用三阶精度时间步进格式进行桨叶尾迹计算,并在尾迹迭代过程中引入"等体积"法修正尾迹.然后,运用模型得到共轴双旋翼无地效的诱导速度分布和单旋翼地面效应下的拉力增益并与试验结果对比,验证方法的合理性.最后,基于算例,分析了共轴双旋翼在地面效应悬停状态下的特性,包括尾迹及流场特点、诱导速度与拉力分布、旋翼间干扰和拉力增益.结果表明:悬停地面效应下共轴双旋翼的尾迹发生卷起并径向扩展,其桨盘平面的诱导速度由上旋翼、下旋翼和地面共同引起;分析也表明了悬停地面效应下共轴双旋翼桨盘平面诱导速度及桨叶拉力分布更均匀,在相同功率下,共轴双旋翼的地面效应拉力增益大于同实度单旋翼的拉力增益.     

旋翼/涵道风扇共轴式无人直升机操稳特性研究

考虑旋翼下洗气流影响及涵道环括作用,将Pitt/Peter动态入流模型推广到旋翼/涵道风扇升力系统建模中,结合风扇/涵道机身组合吹风试验数据,建立了实用的旋翼/涵道风扇共轴式无人直升机全量数学模型.以据非线性模型得到的小扰动模型为基础,深入研究了旋翼/涵道风扇共轴式无人直升机不同前飞速度下的飞行动力学特性,包括稳定特性、操纵响应特性及耦合特性,并与常规布局直升机进行了对比.分析结果表明,旋翼/涵道风扇共轴式在横航向运动模态的稳定特性及操纵响应的耦合特性上具有明显区别于常规布局直升机的飞行动力学特性.所得结论与该型直升机实际飞行特性一致.     

直升机旋翼桨叶绕流的欧拉方程计算

描述了求解直升机旋翼悬停流场的数值方法。利用悬停流场的准定常特性,采用有限体积空间离散和龙格库塔时间步进格式,在桨叶固连旋转坐标系下直接求解以相对物理参数为变量的三维无粘可压欧拉方程,没有附加任何尾迹模型,其中,应用了多项加快收敛技术。计算了二叶模型旋翼在亚、超音速的流动,并与相应的国外实验数据作了对比,吻合良好。表明应用欧拉方程能够模拟多叶旋翼的悬停流场。     

基于高阶格式的旋转类问题非定常流动数值模拟研究

基于结构网格动态面搭接技术、五阶Roe-WENO格式求解非定常RANS方程,开发了用于旋转类问题非定常流动数值模拟的计算分析程序,并针对典型旋转类算例进行了分析验证。对Caradonna-Tung旋翼的计算结果表明:计算得到的旋翼桨叶表面压力分布与实验值吻合良好,计算程序可以用于旋翼悬停、简单前飞状态的气动力数值模拟与分析;同时在计算网格分布相同情况下,五阶Roe-WENO格式较三阶Roe-MUSCL格式对于旋翼尾迹的分辨率更高,计算得到的旋翼桨尖涡尾迹更加清晰。对螺旋桨机翼干扰问题的研究结果表明,所开发的计算程序对于刚性旋转类问题非定常流动数值模拟具有很好的适用性,对于尾迹的捕捉具有较高的精度,满足工程实际应用的要求。     

基于仿真数据的旋翼系统故障识别

采用广义回归神经网络(GRNN)对3种直升机旋翼故障(配平调整片误调、变距拉杆误调、质量不平衡)进行识别.采用三层网络分别识别旋翼故障的类型、位置和程度.网络训练集和测试集采用基于耦合的旋翼-机身仿真结果(包含故障旋翼响应、桨毂载荷、机身振动水平).为提高网络泛化能力,在仿真结果中添加了噪声.结果表明:1)训练好的GRNN能从包含噪声的直升机响应中对故障做出识别,使用仿真数据训练的GRNN可用于旋翼健康和使用监测系统(HUMS)的开发;2)使用包含噪声的数据训练网络能显著提升GRNN的泛化能力;3)合理选择网络扩展常数对于预测准确性非常重要.     

旋翼跨声速流动气动噪声的一种高效算法

采用Euler/Kirchhoff方法,计算了直升机旋翼悬停流场的远场噪声。在采用CFD方法求解非定常旋翼悬停流动的Euler方程的基础上,采用Kirchhoff公式计算了直升机悬停流动的远场噪声。中对Kirchhoff面的选取、源点延迟时刻的确定方法进行了研究,并提出了一种由Euler方程解确定Kirchhoff面上物理参数及其空间法向导数的高效三维线性插值方法。对UH－1H直升机旋翼跨声悬停流动的远场噪声进行了定量计算,计算结果与实验值相比较,符合较好,验证了本方法的正确性。     

非结构旋转动态嵌套网格技术及其应用

发展并改进了一套基于非结构网格的旋转动态嵌套网格方法,通过数值求解Navier-Stokes方程对二维/三维带旋转运动边界的非定常问题进行了数值模拟.将计算区域划分成包含旋转运动边界的运动区子域和覆盖其它静止边界的静止区子域,以人工边界和约束线(面)作为约束条件生成整体计算网格,进而根据设置的人工边界完成嵌套网格的建立.对翼型绕流、旋翼/机身干扰流场以及颤振激励系统绕流进行了验证计算,结果与实验值相一致,表明了文中方法能够有效地对带有旋转运动边界的非定常问题进行数值模拟.     

转捩过程对旋翼悬停模拟的影响分析与研究

悬停状态是考察旋翼整体气动性能的重要状态之一。随着计算机技术及CFD技术的发展,基于“第一性原理”的数值模拟方法越来越多地被用于评估旋翼悬停性能。在使用基于RANS方程的数值模拟方法进行固定翼飞行器定常计算时,流动转捩现象对某些特定状态下流场及气动特性会产生巨大影响,因此在进行固定翼设计时要考虑流动转捩现象。然而转捩过程是否同样会影响旋翼非定常气动流场及气动特性,国内研究较少,因此有必要研究转捩过程对旋翼流场数值模拟的影响,为旋翼类飞行器的设计及评估提供参考。采用美国航空航天学会旋翼悬停工作组提出的PSP旋翼标模,利用结构化动态嵌套网格技术,在大拉力悬停和小拉力悬停状态下,分别进行全湍流模拟和转捩模拟计算并与试验结果进行了对比。对比结果显示,文中所采用的数值求解器对旋翼悬停效率的计算误差在5%之内。在考虑流动转捩后,由于桨叶表面存在层流区域,计算所得旋翼悬停效率高于全湍流假设下的预测值,而桨叶表面的层流区域与旋翼拉力大小有关。在流动转捩发生的区域,转捩过程会对桨叶截面压力分布以及桨叶展向扭矩分布产生明显影响,同时桨叶表面出现明显的流动分离现象。对于桨叶展向拉力分布和桨盘下方旋翼尾迹桨尖...     

Transverse vibration of the blade for unmanned micro helicopter using rayleigh-ritz method

A rotor manipulation mechanism for micro unmanned helicopter utilizing the inertia and the elasticity of the rotor is introduced. The lagging motion equation of the rotor blades is established, and then the natural frequencies and mode shapes of the blade for the helicopter are studied by using beam characteristic orthogonal polynomials by the Rayleigh-Ritz method. The variation of natural frequencies with the speed of rotation and the mode shapes at different rotational speeds are plotted. The using of orthogonal polynomials for the bending shapes enables the computation of higher natural frequencies of any order to be accomplished without facing any difficulties.     

小波有限元在星轮振动特性计算中的应用

为了研究单螺杆压缩机星轮的振动特性,利用小波有限元理论推导出振动方程,计算出星轮前6阶固有频率,并与ANSYS软件计算结果进行对比.分别计算出星轮厚度和内外径比变化时各阶固有频率的大小,利用ANSYS软件和小波有限元理论计算出星轮各临界转速.计算结果表明,随着星轮厚度增加,各阶固有频率随之线性增加;随着星轮内外径比增加,各阶固有频率随之线性降低,由于材料属性不同,星轮各阶临界转速由大到小排列为THKXL 1、THKXL 2和THKXL 3.     

直升机桨叶动平衡试验中的稳定性分析

直升机标准桨叶的动态特性参数通过动平衡试验来校准,为了确定标准桨叶动平衡试验参数,利用叶素理论,把桨叶的挥舞角分解到二阶小量,建立了动平衡试验中孤立桨叶的带三次非线性项的Duffing型挥舞运动方程,用解析的Melnikov函数方法分析Duffing型挥舞方程对风速的稳定性阈值.把桨叶Duffing型挥舞方程与只精确到一阶项的挥舞方程进行数值比较,仿真试验表明在环境风速增大和桨叶挥舞角增大时二者误差变大,并通过仿真试验分析确定了满足标准桨叶动平衡试验的环境风速条件,实测结果与法国直升机桨叶动平衡试验环境风速的技术参数要求很接近.结果表明在动平衡试验中标准桨叶的挥舞对于环境风速是稳定的,并确定了标准桨叶动平衡试验环境的风速范围要求.     

转子临界转速的求解方法比较

工程中的各种高速转子都需要确定其临界转速,以确保其在安全的转速范围工作,不发生共振.以一种实验型转子为研究对象,分别采用解析法和基于ANSYS的有限元法对其临界转速进行求解;再利用实验测量的方法测得该转子的临界转速值;把用解析法和有限元法计算所求得的数值与用实验所得实测值进行比较和分析,考查解析法和有限元法计算的准确性、可行性.结果表明基于ANSYS的有限元法对转子临界转速的计算准确性高,计算方便,为工程上其它转子临界转速的求解提供方法依据.     

漂浮式海浪发电装置主浮体结构的有限元分析

应用线性波理论与Morison方程,计算出漂浮式海浪发电装置主浮体在极端海浪条件下受到的海浪冲击力。利用三维软件建立海浪发电装置及其主浮体模型。利用ANSYS Workbench软件与三维软件的接口,建立主浮体的有限元模型,求解其在海浪冲击作用力下的位移及应力响应。仿真结果表明:主浮体在极端风浪的冲击作用下,应力响应与位移响应均在振型处达到最大值,但处于所规定的安全范围之内。     

变化风场中直升机阵风载荷分析

为精确计算直升机阵风载荷,建立了同时考虑变化风场时间导数和空间梯度的直升机非线性动力学模型.通过质心处过载系数的时域响应仿真实现直升机阵风载荷计算分析,并与工程估算公式计算结果进行对比.由于全面考虑了直升机旋翼、尾桨、机身、垂直安定面和水平安定面等部件对阵风载荷的影响,对比结果验证了该方法在小前进比前飞时具有更高的精度.分析表明垂直方向阵风载荷对直升机结构强度影响较大,且在相同前进比时阵风载荷与阵风强度呈近似线性关系,所发展的方法能够适用于直升机在不同飞行状态和变化风场中的阵风载荷分析.     

基于流固耦合的风力发电机周围流场特性分析

为了提高风能利用效率,合理设计风电场,基于ANSYS Workbench有限元仿真平台以水平轴风力发电机为研究对象,在额定工况条件下对风力发电机周围流场特性进行了流固耦合分析,得到了风力发电机尾迹及叶片附近旋转域流场的风速、风压分布.结果表明:在风力发电机后不同距离的截面处,其湍动能沿竖直方向均呈现“M”型变化趋势;在水平方向上,部分流经叶片的空气产生了旋转,并具有向四周扩散的现象;在叶片旋转域中,沿叶片径向其风压与风速不断增大.     

Finite Element Modeling and Vibration Analysis of Sprag Clutch-Flexible Rotor System

斜撑离合器-柔性转子系统有限元建模及振动特性分析

黄创^1,2,赵永强^1*,靳广虎^3*

（1. 哈尔滨工业大学 机电工程学院,哈尔滨 150001;

2. 珠海格力电器股份有限公司,广东 珠海 519070;

3. 南京航空航天大学 直升机传动技术重点实验室,南京 210016）

摘要：

为研究高速运行工况下斜撑离合器-柔性转子系统 (SC-FRS,sprag clutch-flexible rotor system) 的整体振动特性,基于推导的斜撑离合器刚度矩阵的计算方法,建立了考虑转子柔性及轴承支撑刚度的SC-FRS的有限元模型。以此模型为基础,计算了系统的固有频率和模态振型,通过与ANSYS软件计算结果的比较,验证了本文模型正确性。同时,在不平衡量作用下,分析了系统的弯扭耦合振动和中介轴承动载荷,研究发现扭转方向的共振峰与弯曲方向的共振峰有着相同的共振频率。搭建了斜撑离合器-转子系统试验台,进行了轴心轨迹和临界转速的测试,试验结果表明使用SC-FRS的有限元模型能够较准确地描述系统的振动特性。

关键词：斜撑离合器转子系统;有限元模型;不平衡量;实验验证