CN109614645A - 一种螺旋桨发动机颤振工程计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种螺旋桨发动机颤振工程计算方法，包括步骤1：采用有限元方法计算螺旋桨‑发动机系统质量矩阵和刚度矩阵；步骤2：计算螺旋桨的气动力系数；步骤3：采用MSC.NASTRAN软件的结构化sol145流程计算颤振。本发明优点是：1.螺旋桨‑发动机系统计算模型采用有限元创建可视化好，动力学特性采用MSC.NASTRAN计算，计算结果精确，与试验结果符合性好；2.螺旋桨气动力和颤振计算采用国际知名软件计算，计算的螺旋桨力矩系数随速度的变化曲线与发动机厂家计算的曲线符合性好，螺旋桨‑发动机系统颤振稳定性通过了飞行试验验证，计算结果可靠；3.可以一次性计算不同参数变化情况下的螺旋颤振，减少了计算时间，减轻了设计人员工作量，提高了工作效率。4.适合工程应用。

Description

一种螺旋桨发动机颤振工程计算方法
技术领域
本发明属于航空气弹分析技术，涉及螺旋桨发动机系统颤振分析方法。
背景技术
装有螺旋桨发动机的飞机，存在螺旋桨与发动机安装结构组合的螺旋颤振稳定性问题。对该问题的研究方法常采用螺旋桨－发动机系统模型，考虑俯仰和偏航两个自由度，计算螺旋桨气动力和陀螺力矩，最后推导出螺旋颤振的动力学方程，采用数值方法求解复矩阵广义特征值问题，获得颤振稳定性计算结果。参见论文：金一忱，《螺旋颤振分析》，航空学报，1993年4月第14卷第4期；姚一龙、施辉，《涡桨发动机飞机的螺旋颤振分析》，民用飞机设计与研究，1996年第4期。
发明内容
本发明的目的是：
现有方法计算螺旋颤振分析主要采用数值计算方法，关键的螺旋桨气动力计算和颤振方程求解采用设计人员个人自编程序进行计算。计算的准确度因人而异，颤振计算程序不对外发布，不利于计算方法的推广应用。另外螺旋颤振计算需要考虑螺旋桨几何参数、转速、飞行速度、飞行高度、空气密度和发动机系统质量、刚度这些参数，并进行参数的组合变化，计算状态较多，计算量大，自编程序不适合工程应用。本发明方法采用国际著名软件MSC.Nastran进行计算，计算精度可靠，计算方便，计算模型可视化，利于计算方法推广应用。
本发明的技术方案是：
一种螺旋桨发动机颤振工程计算方法，包括以下步骤：
1.采用有限元方法计算螺旋桨－发动机系统质量矩阵和刚度矩阵
(1)螺旋桨－发动机系统有限元模型简化方法：
飞机螺旋桨－发动机系统可简化概括为三部分结构，一是螺旋桨，二是发动机主结构，三是发动机舱。结构上螺旋桨和发动机通过旋转轴连接在一起，发动机再安装在发动机舱上，发动机舱最后与机翼连接。螺旋桨和发动机简化为集中质量单元，发动机舱结构简化为杆、板、梁单元。螺旋桨和发动机的质量和转动惯量采用计算或者测量的方法可以得到。
(2)创建螺旋桨－发动机系统有限元模型：
将发动机舱三维几何模型导入MSC.Nastran有限元软件。发动机舱由杆、板、梁单元组成。螺旋桨和发动机简化为集中质量单元，通过RBE2单元与发动机舱模型连接，发动机安装点和发动机安装接头之间的减震器用弹簧元来模拟，模拟发动机的安装刚度。模型在发动机舱悬挂接头处和与机翼连接处约束。螺旋桨发动机系统有限元模型创建完毕。
(3)计算螺旋桨－发动机系统质量矩阵和刚度矩阵
采用1－2中建立的螺旋桨－发动机系统有限元模型，用MSC.Nastran有限元软件进行模态分析。通过模态分析可以获得系统偏航模态和俯仰模态及频率值，通过模态分析同时可以获得螺旋桨－发动机系统的质量矩阵和刚度矩阵。
2.采用MSC公司propf.for程序计算螺旋桨的气动力系数
(1)输入数据准备：
输入数据为螺旋桨几何参数、转动惯量、质量，发动机转动惯量、质量、螺旋桨转速、飞机飞行速度、空气密度等，将这些数据放入一个＊.inp文本文件，文件名称任意。
(2)运行propf.for：
在FORTRAN编译环境下运行propf.for，生成propf.exe可执行程序，运行propf.exe可执行程序后，程序以DOS界面形式出现，并在界面中提示输入＊.inp文本文件的文件名。输入(1)中保存的＊.inp文件名后，程序自动开始计算，计算完毕将程序自动关闭，计算结果以＊.out和AERODMIG.dat文本文件保存在当前程序文件目录下。
(3)气动力系数数据获取
打开＊.out文本文件，从中可以读取到以下气动力系数结果：
Cyq——侧向力系数对俯仰速率的导数
Cmq——俯仰力矩系数对俯仰速率的导数
Cmpsi——俯仰力矩系数对偏航角的导数
Czpsi——垂向力系数对偏航角的导数
Cypsi——侧向力系数对偏航角的导数
打开AERODMIG.dat文件，可以获得由螺旋桨气动力Pz，Py，My,p，Mz,p分解成的MSC.Nastran软件可以识别的阻尼矩阵[B2PP]和刚度矩阵[K2PP]DMIG卡片。
根据不同飞机飞行速度和高度，可以计算一系列阻尼矩阵[B2PP]和刚度矩阵[K2PP]DMIG卡片数据。
3.采用MSC.NASTRAN软件的结构化sol145流程计算颤振
最后将由1计算得到的螺旋桨－发动机系统的质量矩阵和刚度矩阵数据和由2计算得到的一系列阻尼矩阵[B2PP]和刚度矩阵[K2PP]DMIG卡片组合到MSC.NASTRAN软件的结构化sol145流程计算卡片中，就可以直接计算螺旋颤振了。计算结果可以绘制螺旋桨－发动机系统飞行速度随阻尼和频率的变化曲线，从中可以识别螺旋桨－发动机系统颤振临界速度，用于判别系统颤振稳定性。
本发明优点是：
1.螺旋桨－发动机系统计算模型采用有限元创建可视化好，动力学特性采用MSC.NASTRAN计算，计算结果精确，与试验结果符合性好；
2.螺旋桨气动力和颤振计算采用国际知名软件计算，计算的螺旋桨力矩系数随速度的变化曲线与发动机厂家计算的曲线符合性好，螺旋桨－发动机系统颤振稳定性通过了飞行试验验证，计算结果可靠；
3.可以一次性计算不同参数变化情况下的螺旋颤振，减少了计算时间，减轻了设计人员工作量，提高了工作效率。
4.采用本发明方法计算螺旋颤振，适合工程应用。
附图说明
图1发动机－螺旋桨系统模型
图2发动机舱俯仰模态
图3发动机舱偏航模态
图4力矩系数对比
图5阻尼矩阵[B2PP]和刚度矩阵[K2PP]DMIG卡片
图6海平面V－g图
图7海平面V－f图
图8不同螺旋桨转速V－g图
图9不同螺旋桨转速V－f图
具体实施方式
实施例一：飞机螺旋颤振分析
1.螺旋桨－发动机系统结构动力学特性计算
螺旋颤振研究建立了发动机舱、发动机、螺旋桨系统的有限元模型如图1所示，模型在发动机舱悬挂接头处和与机翼连接处简支约束。通过模态分析获得系统偏航模态和俯仰模态及频率值。螺旋桨－发动机系统俯仰和偏航模态振型见图2、图4。修正分析模型使发动机舱系统俯仰和偏航模态频率与全机地面振动试验获得的结果误差在5％以内，保证了分析模型的刚度和实际结构一致，模型可以用于螺旋颤振分析。分析模型修正后的振动模态与地面振动试验结果的对比见表1。
表1发动机舱系统模态频率
模态 分析频率(Hz) 试验频率(Hz) 误差
俯仰 6.69 7.01 －4.5％
偏航 9.11 8.85 2.9％
2.螺旋桨空气动力系数计算
MSC公司编制的FORTRAN计算程序propf.for，可以用来计算气动力力矩系数。此程序需要的输入数据为螺旋桨几何参数、转动惯量、质量，发动机转动惯量、质量等。螺旋桨叶片类型为M10876AN(S)(K)，将螺旋桨叶片分割为14个剖面，螺旋桨参数见表2，每个剖面半径和宽度示例见下表3。运行propf.for程序，输入这些参数后，程序计算完毕输出可以螺旋桨叶片气动力系数，也可以输出阻尼矩阵[B2PP]和刚度矩阵[K2PP]。
通过将将MSC公司propf程序和螺旋桨厂家叶素理论计算的气动力系数做了对比，见图4至图5，图中programe为程序计算结果，factory为厂家计算结果。从力矩系数随速度的变化曲线可见，在飞行速度范围内两者的符合性较好。
计算得到的阻尼矩阵[B2PP]和刚度矩阵[K2PP]DMIG卡片见图5所示。
表2螺旋桨参数
叶片数 转速RPM 半径inch
5 1700 111.2
表3叶片参数
半径inch 宽度inch
7.85 3.562
略 略
55.60 2.8
3.螺旋颤振计算
螺旋颤振方程的求解采用MSC/NASTRAN软件的结构化sol145流程求解颤振方程。螺旋桨气动力Pz，Py，My,p，Mz,p分解成阻尼矩阵[B2PP]和刚度矩阵[K2PP]，[B2PP]阵和[K2PP]阵是关于螺旋桨几何参数、转速、飞行速度、飞行高度、空气密度等参数的函数，可以用MSC公司计算程序propf.for按一系列不同的飞行速度(等高度)直接生成一系列代表阻尼阵和刚度阵的DMIG卡片。将它们加入到带有螺旋桨－发动机动特性数据的sol145流程控制卡中。然后合并到数据卡片中，最后用PK法求解颤振稳定性。螺旋颤振计算得到的速度－阻尼(V-g)图和速度－频率(V-ω)图的见下图所示。
Y12F飞机已经取得FAA和CAAC适航证，螺旋颤振分析方法已经获得适航认可，并且Y12F飞机在颤振试飞过程中未发生螺旋颤振问题，表明计算结果可信。

Claims (5)

1.一种螺旋桨发动机颤振工程计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用有限元方法计算螺旋桨－发动机系统质量矩阵和刚度矩阵；步骤2：计算螺旋桨的气动力系数；步骤3：采用MSC.NASTRAN软件的结构化sol145流程计算颤振。
2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤1采用有限元方法计算螺旋桨－发动机系统质量矩阵和刚度矩阵的具体过程如下：
步骤1.1：螺旋桨－发动机系统有限元模型简化方法
将飞机螺旋桨－发动机系统简化为三部分结构，一是螺旋桨，二是发动机主结构，三是发动机舱；结构上螺旋桨和发动机通过旋转轴连接在一起，发动机再安装在发动机舱上，发动机舱最后与机翼连接；螺旋桨和发动机简化为集中质量单元，发动机舱结构简化为杆、板、梁单元；螺旋桨和发动机的质量和转动惯量采用计算或者测量的方法可以得到；
步骤1.2：创建螺旋桨－发动机系统有限元模型
将发动机舱三维几何模型导入MSC.Nastran有限元软件；发动机舱由杆、板、梁单元组成；螺旋桨和发动机简化为集中质量单元，通过RBE2单元与发动机舱模型连接，发动机安装点和发动机安装接头之间的减震器用弹簧元来模拟，模拟发动机的安装刚度。模型在发动机舱悬挂接头处和与机翼连接处约束；螺旋桨发动机系统有限元模型创建完毕。
步骤1.3：计算螺旋桨－发动机系统质量矩阵和刚度矩阵
采用步骤1.2中建立的螺旋桨－发动机系统有限元模型，用MSC.Nastran有限元软件进行模态分析；通过模态分析获得系统偏航模态和俯仰模态及频率值，通过模态分析同时获得螺旋桨－发动机系统的质量矩阵和刚度矩阵。
3.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤2采用MSC公司的propf.for程序计算螺旋桨的气动力系数。
4.如权利要求3所述的计算方法，其特征在于，具体过程如下：
步骤2.1：输入数据准备：
输入数据为螺旋桨几何参数、转动惯量、质量，发动机转动惯量、质量、螺旋桨转速、飞机飞行速度、空气密度，将这些数据放入一个＊.inp文本文件，文件名称任意；
步骤2.2：运行propf.for：
在FORTRAN编译环境下运行propf.for，生成propf.exe可执行程序，运行propf.exe可执行程序后，程序以DOS界面形式出现，并在界面中提示输入＊.inp文本文件的文件名；输入(1)中保存的＊.inp文件名后，程序自动开始计算，计算完毕将程序自动关闭，计算结果以＊.out和AERODMIG.dat文本文件保存在当前程序文件目录下；
步骤2.3：气动力系数数据获取
打开＊.out文本文件，从中可以读取到以下气动力系数结果：
Cyq——侧向力系数对俯仰速率的导数
Cmq——俯仰力矩系数对俯仰速率的导数
Cmpsi——俯仰力矩系数对偏航角的导数
Czpsi——垂向力系数对偏航角的导数
Cypsi——侧向力系数对偏航角的导数
打开AERODMIG.dat文件，可以获得由螺旋桨气动力Pz，Py，My,p，Mz,p分解成的MSC.Nastran软件可以识别的阻尼矩阵[B2PP]和刚度矩阵[K2PP]DMIG卡片；根据不同飞机飞行速度和高度，可以计算一系列阻尼矩阵[B2PP]和刚度矩阵[K2PP]DMIG卡片数据。
5.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤3具体过程如下：将由1计算得到的螺旋桨－发动机系统的质量矩阵和刚度矩阵数据和由步骤2计算得到的一系列阻尼矩阵[B2PP]和刚度矩阵[K2PP]DMIG卡片组合到MSC.NASTRAN软件的结构化sol145流程计算卡片中，就可以直接计算螺旋颤振；计算结果用于绘制螺旋桨－发动机系统飞行速度随阻尼和频率的变化曲线，从中可以识别螺旋桨－发动机系统颤振临界速度，用于判别系统颤振稳定性。
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