CN104951591A - 一种多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法 - Google Patents

Abstract

一种多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法，属于直升机动力学设计技术，为防止无轴承旋翼地面共振和扩展空中共振边界，本发明从柔性梁、操纵拉杆、阻尼器和袖套的刚度配置、位移协调等方面提代了准确的建模分析和设计手段，首先进行多路传力旋翼桨毂结构动力学有限元建模，将所述桨毂结构组成部件上的非独立节点自由度用节点自由度线性表示，之后即根据桨毂结构组成部件上节点自由度的独立性和相关性，确定独立节点、相关节点以及桨毂结构组成部件与连接节点的位移协调关系，建立多路传力旋翼桨毂结构动态刚度阵。通过该动力学建模，突破了多路复杂传力旋翼桨毂构型设计与分析关键难点。

Description

一种多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法

技术领域

本发明属于直升机动力学设计技术，涉及多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法。

背景技术

无轴承旋翼是目前最先进的直升机旋翼结构型式，它使用复合材料柔性梁取代传统铰接式旋翼桨毂的水平铰、垂直铰和轴向铰。柔性梁一方面可以在承受桨叶离心力载荷时，利用挥舞、摆振和扭转自由度的变形实现桨叶所需的挥舞、摆振和变距运动，变形复杂；同时，另一方面由于柔性梁提供了较大的挥舞和摆振刚度，使操纵功效和摆振频率高。为提供足够阻尼消除地面共振和空中共振不稳定性，需要增加人工阻尼器。旋翼的桨距控制系统需要与桨毂连接，实现对桨叶的变距控制。为此桨毂构型设计增加了袖套，每个桨毂支臂与柔性梁连接，柔性梁外套一刚度大的袖套，袖套靠桨毂中心一端的外侧通过阻尼器与刚性杆连接，再与通过刚性杆连接柔性梁，袖套外侧还与桨距控制系统连接，另一端与柔性梁和桨叶连接，如附图所示。这类桨毂构型使柔性梁、袖套、阻尼器和桨距控制系统的运动、变形复杂，但传力路线清淅。因此，准确描述这一多路传力桨毂构型的结构动力学特性建模技术，是无轴承旋翼直升机地面共振和空中共振，以及旋 翼与机体耦合动力学建模分析的关键技术之一。

国外在多个直升机型号上成功应用多路传力旋翼桨毂设计分析技术，既巧妙又准确地利用多路传力构型设计实现了提高无轴承旋翼摆振阻尼，满足消除地面共振和空中共振的型号设计目标。如BO-105，阿帕奇和科曼奇等先进行直升机旋翼桨毂都采用多路传力桨毂构型，所掌握的建模技术广泛用于各种旋翼构型的直升机旋翼与机体耦合动力学建模分析中。

目前国内直升机旋翼桨毂构型设计还主要针对铰接式，最典型的是球柔性桨毂构型，没有开展多路传力的旋翼桨毂构型设计研究。无轴承旋翼技术中最首要的旋翼动力学和旋翼与机体耦合动力学建模都涉及到多路传力无轴承旋翼桨毂结构动力学建模技术问题，该项建模技术成为了发展以先进无轴承旋翼技术为代表的先进直升机技术的关键技术。因此，开展多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法研究，结合无轴承旋翼技术课题研究与型号验证，掌握多路传力旋翼桨毂结构动力学建模分析技术，是研发未来先进直升机的技术需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现代直升机旋翼桨毂结构设计向多路传力方向发展，包括旋翼结构动力学、气弹动力学设计分析都必须建立准确的动力学模型，桨毂结构动力学是解决无轴承旋翼等新构 型直升机地面共振和空中共振、旋翼与机体耦合动力学建模的关键一环，本发明提出了适用于多路传力旋翼桨毂结构动力学分析建模方法，主要包括：

(1)进行多路传力旋翼桨毂结构动力学有限元建模，即根据桨毂结构组成部件的传力、运动和变形条件，将所述桨毂结构组成部件用梁单元、杆单元和弹性阻尼单元模拟，根据桨毂主传力路线、桨毂辅助传力路线以及所述桨毂结构组成部件连接点的位移协调关系，将所述桨毂结构组成部件上的非独立节点自由度用节点自由度线性表示；

(2)即根据桨毂结构组成部件上节点自由度的独立性和相关性，确定独立节点、相关节点以及桨毂结构组成部件与连接节点的位移协调关系；

(3)建立多路传力旋翼桨毂结构动态刚度阵，即根据所述独立节点、相关节点以及桨毂结构组成部件与连接节点的位移协调关系，导出多路传力旋翼桨毂结构有限元独立节点运动与节点载荷的关系阵，将所述关系阵联立，根据主传力关系，用独立节点位移表示非独立节点位移，导出操纵拉杆、阻尼器和袖套传力结构对主传力结构的附加动态刚度阵。

优选的是，柔性梁与袖套外端为桨毂主传力路线。

在上述任一方案中优选的是，阻尼器与桨距控制系统为桨毂辅助传力路线。

在上述任一方案中优选的是，将所述桨毂结构组成部件上的非独 立节点自由度用节点自由度线性表示采用的方法包括静态缩减技术。

在上述任一方案中优选的是，所述桨毂结构组成部件与连接节点的位移协调关系包括阻尼器与袖套连接节点、阻尼器与柔性梁连接节点、袖套与柔性梁连接节点以及操纵拉杆与袖套连接节点之间的位移协调关系。

在上述任一方案中优选的是，多路传力旋翼桨毂结构有限元独立节点运动与节点载荷的关系阵包括操纵拉杆变形、阻尼器和袖套三者分别与节点载荷的关系。

在上述任一方案中优选的是，所述导出多路传力旋翼桨毂结构动态刚度阵采用的方法包括静态缩减技术，基于稀疏网格技术减少配置点数。

本发明关键点是：

提出了一种多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法，利用该方法可对新构型旋翼桨毂、无轴承旋翼桨毂，以及具有复杂传力路径的桨毂构型，建立只包括桨毂结构独立节点自由度的结构动力学模型，和独立节点运动与相关节点运动的位移关系，解决了无轴承旋翼等新构型直升机旋翼与机体耦合动力学建模关键技术之一；

提出了多路传力旋翼桨毂结构有限元模型；

提出了各传力结构部件位移协调关系处理方法；

提出了多路传力旋翼桨毂结构动态刚度阵的导出方法。

本发明的有益效果：该项建模技术准确处理了多路传力的新构型桨毂结构的变形、运动与所传递力的关系。该项技术已成功应用于无 轴承旋翼动力学建模、无轴承旋翼机地面共振和空中共振设计分析，对如何防止无轴承旋翼地面共振和扩展空中共振边界，从柔性梁、操纵拉杆、阻尼器和袖套的刚度配置、位移协调等方面提代了准确的建模分析和设计手段。该建模处理方法还将用于未来各种新构型桨毂结构动力学建模，突破了多路复杂传力旋翼桨毂构型设计与分析关键技术。

附图说明

图1是按照本发明多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法的一优选实施例的多路传力桨毂有限元模型。

其中，a为刚性杆，b为袖套，c为阻尼器，d为柔性梁，e为桨叶，1-9为节点号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法做进一步详细说明。

本发明多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法首先进行多路传力旋翼桨毂结构动力学有限元建模。根据桨毂结构各组成部件(柔性梁、袖套、阻尼器和桨距控制系统)的传力、运动和变形条件，将各组成部件用梁单元、杆单元和弹性阻尼单元模拟，根据柔性梁与袖套外端为桨毂主传力路线的特点以及阻尼器与桨距控制系统为桨毂辅助传力路线的特点，以及柔性梁与袖套、阻尼器和桨距控制系统连接 点的位移协调关系，采用静态减缩技术，把袖套、阻尼器和桨距控制系统上的非独立节点自由度用柔性梁上的节点自由度和袖套上其它点的自由度线性表示，如图1所示，节点1是柔性梁与桨毂连接点，2、3、4、5(8)、6、9号节点是主传力结构独立节点，袖套上节点7和节点8为辅助传力结构节点，它不传递桨叶离心力，与柔性梁一起传递桨叶根部的弯矩和桨叶铰链力矩，也传桨距操纵拉杆输入载荷对桨叶的扭矩，节点7需要缩减掉。袖套上一侧的节点7(如有支臂再伸长到设计位置)是桨距控制点，小拉杆与该点连接。节点2与节点7之间是阻尼器(下一半对称相同)。需要将7、8号节点与2和5号节点位移进行协调后缩减掉，袖套上8号节点和6号节点分别与柔性梁和桨叶连接，因此，8号节点和6号节点实际上就是5号节点和6号节点。5号节点和6号节点之间的梁单元是袖套。阻尼器在摆振方向提供剪切动刚度，而在挥舞方向提供足够高的刚度。

所述有限单元法包括对桨毂各结构部件划分为梁单元、杆单元和弹性阻尼单元。

其次，建立多路传力旋翼桨毂结构动态刚度阵。

根据柔性梁、袖套、阻尼器和桨距控制系统上的节点自由度的独立性和相关性，确定桨毂结构组成部件与连接节点的位移协调关系，所述桨毂结构组成部件与连接节点的位移协调关系包括阻尼器与袖 套连接节点、阻尼器与柔性梁连接节点、袖套与柔性梁连接节点以及操纵拉杆与袖套连接节点之间的位移协调关系，多路传力旋翼桨毂结构有限元独立节点运动与节点载荷的关系阵包括操纵拉杆变形、阻尼器和袖套三者分别与节点载荷的关系。具体的包括如下步骤：

处理阻尼器与袖套连接节点7的位移协调关系。袖套外臂与阻尼器一端连接，阻尼器提供的约束使节点7的位移协调关系表示为：V7d＝V7x，W7d＝W7x，阻尼器和袖套该节点其它位移不为0，不相等，其中，“d”表示阻尼器，“x”表示袖套。

处理阻尼器与柔性梁连接点2的位移协调关系。阻尼器上端(外端)与刚性杆连接，该刚性杆在节点2与柔性梁连接，因此，V2d＝V2f，W2d＝W2f，其它位移不相关，“f”表示柔性梁。V7d与V2d的位移之差即是阻尼器的摆振向位移，而W7d与W2d的位移之差则为阻尼器的挥舞向位移。

处理袖套节点7和8与柔性梁节点2和5的位移协调关系。袖套上7和8节点是辅助传力节点，在有限元模型中为非独立节点，需要用柔性梁节点2和5的位移表示，其位移协调关系可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_7\\ x_8\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cc}{T}_{11}& T_{12}\\ T_{21}& T_{22}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{x}_2\\ x_5\end{array}\right\}$

T是位移协调矩阵，在形成桨毂袖套结构刚度阻尼阵后，采用静力减缩方法导出。

最后，根据确定的独立节点、相关节点和位移协调关系，通过静态减缩技术，基于稀疏网格技术有效地减少配置点数，导出多路传力 旋翼桨毂结构有限元独立节点运动与节点载荷的关系阵，即多路传力旋翼桨毂结构动态刚度阵，同时导出独立节点运动与相关节点运动的位移关系。

处理操纵拉杆与袖套7号点的位移协调关系。操纵拉杆连接在袖套的7号点，操纵拉杆对袖套的扭转和挥舞提供约束。操纵拉杆轴向位移与袖套的7号点的位移协调关系为：W7c＝W2f+Yex*θ7x。Yex是袖套7号点到柔性梁2号点的弦向距离。

操纵拉杆变形与节点载荷关系。操纵拉杆刚度等效到2和5号节点与袖套刚度矩阵相关。操纵拉杆对变距刚度的贡献只能加到5号点的扭转刚度元素中，对挥舞方向的线刚度则直接加到2号点的挥舞方向的线刚度元素中。操纵拉杆对袖套7号节点的约束刚度阵为：方程一：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{\θ}7}\\ F_{w7}\end{array}\right\}=K_{\mathrm{ROD}}\left[\begin{array}{cc}{Y}_{\mathrm{EX}}^2& Y_{\mathrm{EX}}\\ Y_{\mathrm{EX}}& 1\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_7\\ W_7\end{array}\right\},$ 式中下标表示节点号，K_ROD是操纵拉杆轴向刚度，θ₇是节点7的扭转变形。

阻尼器载荷与节点2和7的位移关系。阻尼器动刚度方程可表示为方程二： $\left\{\begin{array}{c}{F}_{V2}\\ F_{W2}\\ F_{V7}\\ F_{W7}\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cccc}{K}_S+j{K}_d& 0& -K_S-j{K}_d& 0\\ 0& K_W& 0& -K_W\\ -K_S-j{K}_d& 0& K_S+j{K}_d& 0\\ 0& -K_W& 0& K_W\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{V}_2\\ W_2\\ V_7\\ W_7\end{array}\right\}.$

袖套7至8(5)号节点段刚度方程为方程三：

{F_S}＝[K_S]{X_S}

{X_S}＝[V₇ W₇ θ₇ W₇' V₇' V₅ W₅ θ₅ W₅' V₅']^T

$\left\{F_S\right\}={\left[\begin{array}{cccccccccc}{F}_{V7}& F_{W7}& F_{\mathrm{\θ}7}& F_{W_7^{\text{'}}}& F_{V_5^{\text{'}}}& F_{V5}& F_{W5}& F_{\mathrm{\θ}5}& F_{W_5^{\text{'}}}& F_{V_5^{\text{'}}}\end{array}\right]}^T$

组装操纵拉杆、阻尼器和袖套7至8(5)号节点段刚度阵。操纵拉杆、阻尼器和袖套7至8(5)号节点段刚度阵与柔性梁节点2和5的位移相关，将方程一、二和三组装得方程四：

{F}＝[Z_DK]{X}

{X}＝[V₂ W₂ V₇ W₇ θ₇ W₇' V₇' V₅ W₅ θ₅ W₅' V₅']^T

$\left\{F\right\}={\left[\begin{array}{cccccccccccc}{F}_{V2}& F_{W2}& F_{V7}& F_{W7}& F_{\mathrm{\θ}7}& F_{W_7^{\text{'}}}& F_{V_7^{\text{'}}}& F_{V5}& F_{W5}& F_{\mathrm{\θ}5}& F_{W_5^{\text{'}}}& F_{V_5^{\text{'}}}\end{array}\right]}^T,$ 根据主传力关系、非独立节点位移用独立节点位移表示，方程四中袖套上7号点的位移将用柔性梁节点2和5节点的位移表示，袖套上7号点没有外力作用(由于采用静态减缩技术，7号节点没有惯性载荷，其它载荷均为内力)，所以7号节点的外载为0。

从{F}＝[Z_DK]{X}中消去θ₇，V’7和W’7，解出得：  $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_7\\ W_7^{\text{'}}\\ V_7^{\text{'}}\end{array}\right\}=\left[Z_{\mathrm{DK}7}\right]{\left[\begin{array}{ccccccc}{V}_2& W_2& V_5& V_5& {\mathrm{\θ}}_5& W_5^{\text{'}}& V_5^{\text{'}}\end{array}\right]}^T,$ 将其代回到方程四，最后得到操纵拉杆、阻尼器和袖套各路传力结构对主传力结构的动态刚度附加动态刚度阵，可表示为：按照该刚度阵对应的主传力节点，将[ZDK25]装配到桨叶动力学方程的总体刚度矩阵和结构阻尼矩阵中，即将[ZDK25]的实部装配到[CHH]，虚部装配到[KHH]中。

$\left[\begin{array}{cc}{M}_{\mathrm{HH}}& M_{\mathrm{HB}}\\ M_{\mathrm{BH}}& M_{\mathrm{BB}}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{..}{X}}_H\\ {\stackrel{..}{X}}_B\end{array}\right\}+\left[\begin{array}{cc}{C}_{\mathrm{HH}}& C_{\mathrm{HB}}\\ C_{\mathrm{BH}}& C_{\mathrm{BB}}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{X}}_H\\ {\stackrel{.}{X}}_B\end{array}\right\}+\left[\begin{array}{cc}{K}_{\mathrm{HH}}& K_{\mathrm{HB}}\\ K_{\mathrm{BH}}& K_{\mathrm{BB}}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{X}}_H\\ {\stackrel{.}{X}}_B\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{F}_H\\ F_B\end{array}\right\}$

需要说明的是，本发明的多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法 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 (7)

1.一种多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法，其特征在于：

(1)进行多路传力旋翼桨毂结构动力学有限元建模，即根据桨毂结构组成部件的传力、运动和变形条件，将所述桨毂结构组成部件用梁单元、杆单元和弹性阻尼单元模拟，根据桨毂主传力路线、桨毂辅助传力路线以及所述桨毂结构组成部件连接点的位移协调关系，将所述桨毂结构组成部件上的非独立节点自由度用节点自由度线性表示；

(2)即根据桨毂结构组成部件上节点自由度的独立性和相关性，确定独立节点、相关节点以及桨毂结构组成部件与连接节点的位移协调关系；

(3)建立多路传力旋翼桨毂结构动态刚度阵，即根据所述独立节点、相关节点以及桨毂结构组成部件与连接节点的位移协调关系，导出多路传力旋翼桨毂结构有限元独立节点运动与节点载荷的关系阵，将所述关系阵联立，根据主传力关系，用独立节点位移表示非独立节点位移，导出操纵拉杆、阻尼器和袖套传力结构对主传力结构的附加动态刚度阵。

2.根据权利要求1所述的多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法，其特征在于：柔性梁与袖套外端为桨毂主传力路线。

3.根据权利要求1所述的多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法，其特征在于：阻尼器与桨距控制系统为桨毂辅助传力路线。

4.根据权利要求1所述的多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法，其特征在于：将所述桨毂结构组成部件上的非独立节点自由度用节点自由度线性表示采用的方法包括静态缩减技术。

5.根据权利要求1所述的多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法，其特征在于：所述桨毂结构组成部件与连接节点的位移协调关系包括阻尼器与袖套连接节点、阻尼器与柔性梁连接节点、袖套与柔性梁连接节点以及操纵拉杆与袖套连接节点之间的位移协调关系。

6.根据权利要求1所述的多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法，其特征在于：多路传力旋翼桨毂结构有限元独立节点运动与节点载荷的关系阵包括操纵拉杆变形、阻尼器和袖套三者分别与节点载荷的关系。

7.根据权利要求1所述的多路传力旋翼桨毂结构动力学建模方法，其特征在于：所述导出多路传力旋翼桨毂结构动态刚度阵采用的方法包括静态缩减技术，基于稀疏网格技术减少配置点数。