CN104787357B - 一种防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法，即提高减摆器阻尼效率的设计方法，属于直升机动力学设计技术，采用提高减摆器阻尼的桨毂构型与减摆器布局设计来提高减摆器阻尼效率；通过增大刚度与阻尼之间的差距来设计机体在滑橇起落架上的频率和阻尼；通过设计参数影响分析设计减摆器和气动弹性。本发明可应用于为防止无轴承旋翼直升机地面共振提供设计方法，具有很好的工程适用性，可实现在设计阶段达到预防地面共振的目的。

Description

一种防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法

技术领域

本发明属于直升机动力学设计技术，涉及一种防止无轴承直升机地面共振的设计方法。

背景技术

经典的铰接式旋翼直升机防止地面共振的设计措施包括两个方面：频率和阻尼设计，频率设计要求配置旋翼摆振后退频率Ω-ω_ζ和机体在起落架上的固有频率ω_Fi(i＝1,2，…，6),使Ω-ω_ζ与ω_Fi接近和相等的旋翼转速区设计在希望的位置；而阻尼设计要求通过旋翼桨毂构型、减摆器布局与阻尼特性和起落架系统阻尼设计，消除额定转速内的地面共振不稳定性，并具有足够的阻尼裕度，同时提供足够的阻尼，控制额定转速外的地面共振不稳定转速区的下界转速距额定转速有足够的转速裕度。对于无轴承旋翼，由于其摆振频率高，Ω-ω_ζ与低阶ω_Fi的共振转速区极易落在额定转速附近，机体在起落架上的频率设计选择余地小；而无轴承旋翼桨毂与桨叶连接的柔性梁变形小，人工加装的阻尼器如何使其提供足够的阻尼是该类旋翼构型设计的难点。因此，如何通过频率和阻尼设计来防止无轴承旋翼直升机地面共振，使其满足型号规范或适航要求是突破无轴承旋翼设计技术的关键之一。

现有技术中，国内在上世纪八十年代开展过无铰旋翼空中共振课题研究，桨毂构型简单，无多路传力，没有开展地面共振研究，更没有开展试验验证和型号研制。直到本世纪初才开始研究，才突出地面共振设计技术成为发展无轴承旋翼技术的关键地位，需要通过对旋翼桨毂构型、减摆器布局与阻尼特性和起落架系统的关键设计参数进行研究，并通过试验全面验证，支持理论的发展，形成可靠的无轴承旋翼直升机地面共振设计标准或准则。因此，开展防止无轴承旋翼直升机地面共振的设计方法研究，掌握无轴承旋翼直升机地面共振设计技术，是研发无轴承旋翼直升机的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提出一种防止无轴承旋翼直升机地面共振的设计方法，用于在无轴承旋翼直升机设计阶段通过参数设计可实现防止地面共振的可能。

本发明的技术方案：通过多路传力桨毂构型、减摆器布局、柔性梁与袖套的刚度匹配和提高减摆器阻尼的设计方法，通过机体在(滑橇)起落架上的频率和阻尼设计方法，来实现防止无轴承旋翼直升机地面共振的目的。通过设计参数影响分析，分析了减摆器刚度、阻尼、气动弹性对地面共振的影响，总结提出了防止无轴承旋翼直升机地面共振的设计准则。

一种防止无轴承旋翼直升机地面共振的设计方法，包括：

第一，将柔性梁摆振刚度最低段位置左移，并缩短柔性梁和袖套长度来增加减摆器刚度阻尼，从而提高减摆器阻尼效率；

第二，通过增大刚度与阻尼之间的差距来设计机体在滑橇起落架上的频率和阻尼；

第三，通过减摆器刚度、阻尼以及气动弹性对地面共振的设计参数影响对减摆器刚度和阻尼进行高低参数的配置。

优选的是，所述提高减摆器阻尼效率的设计方法，包括在柔性梁弦向铺置一段阻尼材料。

在上述任一方案中优选的是，所述提高减摆器阻尼效率的设计方法，包括采用提高减摆器阻尼的柔性梁与袖套刚度匹配设计，将柔性梁中部设计成为摆振向刚度的最低段位置。

在上述任一方案中优选的是，所述通过增大刚度与阻尼之间的差距包括降低刚度和/或提高阻尼。

在上述任一方案中优选的是，所述通过增大刚度与阻尼之间的差距包括提高机体在起落架上航向模态频率和/或航向模态阻尼。

在上述任一方案中优选的是，所述减摆器刚度、阻尼对地面共振的设计参数影响，包括提高减摆器刚度和阻尼是否能提高转速稳定裕量。

本发明关键点是：

采用合理的桨毂构型与减摆器布局设计方法，合理的桨毂设计构型，柔性梁与袖套刚度匹配设计方法，能有效的提高减摆器阻尼，预防地面共振的发生。

调整机体在(滑橇)起落架上的频率和阻尼，能有效的预防地面共振。

对无轴承旋翼减摆器刚度应设计得最低是防止无轴承旋翼地面共振的一个重要设计措施，旋翼桨叶气动和刚度、质量分布设计提供了有利于防止地面共振的气动弹性耦合效应。

本发明的有益效果：本发明防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法，通过对无轴承旋翼构型与减摆器布局设计、柔性梁与袖套刚度匹配设计、减摆器刚度阻尼直升机地面共振特性、机体在(滑橇)起落架上的频率和阻尼设计措施研究，以及旋翼升力、减摆器刚度阻尼等重要的动力学设计参数对地面共振的影响研究分析，提出防止无轴承旋翼地面共振的设计措施，该方法具有很好的工程适用性，可实现在型号设计阶段达到预防地面共振的目的。

附图说明

图1是按照本发明防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法的一优选实施例的无轴承旋翼桨毂构型和减摆器布局示意图。

图2是按照本发明防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法的另一优选实施例柔性梁上增加弦向阻尼材料的构型示意图。

图3是图1所示实施例的摆振模态阻尼随袖套刚度增加而变化的示意图。

其中，1为阻尼器，2为变矩拉杆，3为阻尼材料，4为柔性梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的共轴刚性旋翼气动弹性响应分析方法做进一步详细说明。

实施例1、

提高减摆器阻尼的桨毂构型与减摆器布局设计。图1是一种无轴承旋翼桨毂构型、减摆器设计布局。柔性梁内端固接于桨毂，其摆振刚度很大，柔性梁中部摆振和挥舞刚度都较低，柔性梁外端与袖套外端直接固接，袖套外端还直接固接桨叶。在柔性梁中间一杆件与柔性梁铰支，减摆器一端固定在袖套外面，另一端与杆件连接，形成减摆器摆振向刚度阻尼与袖套串联。袖套和柔性梁在外端的变形在减摆器安装处形成位移差，该位移差即减摆器变形而提供刚度和阻尼。如果减摆器刚度高，则限制了袖套在减摆器安装处位移，使减摆器变形小或不变形，导致减摆器不提供阻尼。因此，这种桨毂构型与减摆器布局设计需要正确合理地选择减摆器刚度和阻尼参数、配置柔性梁和袖套的刚度。柔性梁的刚度分布和袖套的长度都影响当量摆振铰的位置，柔性梁摆振刚度最低段位置是决定当量摆振铰位置的关键因素，离内端越远，当量铰位置越远，频率提高，但因减摆器离当量铰远，对袖套外端的角刚度增大而减小减摆器变形，降低了阻尼。而将柔性梁摆振刚度最低段位置左移，并缩短柔性梁和袖套长度，能够通过增加减摆器刚度阻尼，提高摆振阻尼，因此，这是一种提高减摆器阻尼效率的桨毂构型与减摆器布局设计。

提高减摆器阻尼的柔性梁与袖套刚度匹配设计。将柔性梁中部设计成摆振向刚度最低段，正是让柔性梁变形较大，而增大袖套刚度则可有效提高袖套在减摆器处的位移，从而提高减摆器阻尼效率。图3是袖套刚度增加对减摆器提供的摆振模态阻尼，由图可见，袖套刚度增加时摆振模态阻尼增加较快，表明袖套刚度必须设计成显著高于柔性梁的刚度，才能提高减摆器的阻尼效率。

机体在(滑橇)起落架上的频率和阻尼设计。对于轮式-缓冲支柱式起落架，由于提供的阻尼比滑橇起落架显著高，因此，机体在起落架上的频率和阻尼设计重点针对滑橇起落架，比如研究对滑橇起落架改进设计，使机体在起落架上频率和阻尼设计能满防止或消除地面共振设计措施。以某起落架配无轴承原型样机旋翼为例，地面共振不稳定区出现在额定转速附近，不满足设计要求。对起落架的设计措施是提高机体在起落架上航向模态频率和阻尼，尤其是提高频率以满足转速裕度要求，如要保证至少有10％额定转速以上的转速裕度，航向模态频率需要提高到2.7Hz(增加0.5Hz)。因此，研究了增加起落架航向刚度的设计措施。

机体模态阻尼也是决定地面共振不稳定区宽度的重要设计参数。原起落架在前拱形梁与机体连接点外两侧并联安装了两个阻尼器，对侧向模态提供了较高阻尼，研究表明当航向模态阻尼增加到5％时，地面共振不稳定区消失。因此，研究了在前后拱形梁中部位置增装阻尼器的设计措施。

减摆器刚度、阻尼对地面共振的设计参数影响分析。针对图1所示桨毂构型和减摆器布局，计算研究了减摆器刚度和阻尼参数变化对地面共振的影响。表1列出了减摆器刚度和阻尼增加时，转速稳定裕量的变化，结果表明提高减摆器刚度和阻尼不能提高转速稳定裕量，基本上可认为无效。因此，对无轴承旋翼减摆器刚度应设计得最低，如液压式的无刚度，或液弹式的刚度很低，而阻尼设计的很高，是防止无轴承旋翼地面共振的另一重要设计措施。

表1减摆器刚度、阻尼对地面共振的影响

气动弹性对地面共振的影响分析。表2列出了旋翼升力增加对地面共振的影响，升力增大加强在桨叶气动与弹性的耦合，桨叶的摆振从高气动阻尼的挥舞耦合运动中得到了气动阻尼，表明该旋翼桨叶气动和刚度、质量分布设计提供了有利于防止地面共振的气动弹性耦合效应。否则，对旋翼桨叶气动和刚度、质量分布重新布局，使其达到最优效果

表2气动弹性对地面共振的影响

实施例2：

与实施例1相似，所不同的是，提高摆振阻尼的桨毂设计构型还包括，如图2所示的另一种提高摆振阻尼的桨毂设计构型，由于柔性梁最小摆振刚度段变形大，通过在柔性梁弦向铺置一段阻尼材料，能够显著提高摆振阻尼。

需要说明的是，本发明的防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法包括上述实施例中的任何一项及其任意组合，但上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本实发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法，其特征在于：

第一，将柔性梁摆振刚度最低段位置向桨毂方向移动，并缩短柔性梁和袖套长度来增加减摆器刚度阻尼，从而提高减摆器阻尼效率；

第二，通过增大刚度与阻尼之间的差距来设计机体在滑橇起落架上的频率和阻尼；

第三，通过减摆器刚度、阻尼以及气动弹性对地面共振的设计参数影响对减摆器刚度和阻尼进行高低参数的配置。

2.根据权利要求1所述的防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法，其特征在于：所述提高减摆器阻尼效率的设计方法，包括在柔性梁弦向铺置一段阻尼材料。

3.根据权利要求1所述的防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法，其特征在于：所述提高减摆器阻尼效率的设计方法，包括采用提高减摆器阻尼的柔性梁与袖套刚度匹配设计，将柔性梁中部设计成为摆振向刚度的最低段位置。

4.根据权利要求1所述的防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法，其特征在于：所述通过增大刚度与阻尼之间的差距包括降低刚度和/或提高阻尼。

5.根据权利要求1所述的防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法，其特征在于：所述通过增大刚度与阻尼之间的差距包括提高机体在起落架上航向模态频率和/或航向模态阻尼。

6.根据权利要求1所述的防止无轴承旋翼直升机地面共振设计方法，其特征在于：所述减摆器刚度、阻尼对地面共振的设计参数影响，包括提高减摆器刚度和阻尼是否能提高转速稳定裕量。