CN112052529A - 一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法 - Google Patents

一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于直升机旋翼设计与理论建模技术，公开了一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法，采用逐步逼近法方法和残差监控方法改进旋翼配平计算方法，区别于传统的配平迭代计算方法，一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法对前进比参数进行加密划分，逐步逼近法计算和实时监控迭代循环中的残差变化，该方法有效地拓展了旋翼配平的计算能力且保证配平求解精度，在大前进比状态中有效避免了配平迭代中发散问题。

Description

一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法
技术领域
本发明属于直升机旋翼设计与理论建模技术，涉及一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法。
背景技术
旋翼配平是直升机分析设计阶段的重要环节之一，通过设定稳定飞行状态下目标来确定直升机周期稳态特性和驾驶员操纵，在直升机气动、动力学和飞行力学分析中都有重要意义。在大前进比变转速旋翼气弹分析中，桨盘气流的不对称性加剧，气动与结构耦合效应增加，微弱的操纵变化会带来强烈的气动、结构载荷变化，使得配平计算困难性增加，难以收敛，因此要建立适用于大前进比的旋翼配平计算方法。
目前国内外针对旋翼配平主要采用牛顿迭代法。传统旋翼配平迭代中只在初始时刻计算Jaocbian矩阵，即整个过程只利用初始输入生成一次Jacobian矩阵，未考虑实际结果与初始输入的偏差对Jacobian矩阵的影响。这导致在大前进比配平中Jacobian矩阵质量差，且大前进比状态下的气弹计算复杂性增加，对初始输入的敏感性增加，都容易引发数值发生问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提出一种提高大前进比旋翼配平收敛性的迭代计算方法，用于大前进比变转速旋翼气弹配平计算，解决大前进比变转速旋翼配平计算困难甚至发生的问题，能在设计阶段通过仿真分析确定直升机稳态飞行中的驾驶员操纵和旋翼特性。
本发明的技术方案：
一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法,包括以下步骤：
第一步：划分目标前进比参数；
第二步：设定配平目标，所述配平目标为桨毂六力，建立配平平衡方程组；采用手动输入或者内部计算两种方式给出第一个前进比参数下的初始操纵输入；
第三步：根据初始操纵输入和配平目标生成Jacobian矩阵；
第四步：进入迭代循环进行旋翼气弹计算；循环中采用牛顿迭代法调用Jacobian矩阵，直至迭代收敛得到最新的操纵值；
第五步：将迭代收敛时的操纵值作为下一个前进比参数下的操纵输入，重复进行第三、四步，直到完成所有前进比参数的计算，完成大前进比旋翼配平求解，得到配平目标配平后的操纵值。
进一步，所述第四步中，还包括：
设定收敛准则设定值；每一次迭代得到新的操纵值，并结合上一次迭代结果计算出残差值，迭代循环中引入实时监控残差方法，根据残差值与收敛准则设定值的关系判断迭代的收敛性。
进一步，若残差值高于收敛准则设定值，则迭代尚未收敛，进入残差监控环节；若残差值小于上一次迭代的残差值，则继续进行迭代。
进一步，若残差值大于与上一次迭代的残差值，则跳出迭代循环并根据此时的操纵值与配平目标重新生成Jacobian矩阵，重新开始新一轮的迭代循环。
进一步，若残差低于收敛准则设定值，则迭代收敛，当前前进比参数下的配平计算结果作为最新的操纵值。
进一步，所述第一步中的前进比参数划分包括：采用正弦加密将前进比参数划分为一组数值；划分结果如下：
Figure BDA0002700974960000021
其中，Ns为划分的前进比参数个数。
进一步，所述第一步中，还包括：建立旋翼动力学模型和旋翼载荷计算模型。
进一步，所述第四步中，还包括：根据旋翼动力学模型和旋翼载荷计算模型进行旋翼气弹计算。
进一步，所述牛顿迭代法包括：通过以下公式计算操纵值；
λn＝λn-1-[J]-1·f(λn-1)
其中：λn为当前迭代得到的操纵值，λn-1为上一次迭代的操纵值，J为Jacobian矩阵,f为配平平衡方程组
本发明的有益效果：一种提高大前进比旋翼配平收敛性的迭代计算方法采用逐步逼近法，采用逐步逼近法方法和残差监控方法改进旋翼配平计算方法，区别于传统的配平迭代计算方法，一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法对前进比参数进行加密划分，逐步逼近法计算和实时监控迭代循环中的残差变化，该方法有效地拓展了旋翼配平的计算能力且保证配平求解精度，在大前进比状态中有效避免了配平迭代中发散问题。
附图说明
图1是本发明涉及的一种提高大前进比旋翼配平收敛性的迭代计算方法；
图2是本发明涉及的旋翼动力学方程建模中的弹性桨叶变形示意图
图3是本发明涉及的旋翼桨毂固定坐标系
图4是两种配平计算方法的迭代效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法做进一步详细说明。
一种提高大前进比旋翼配平收敛性的迭代计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)建立旋翼动力学模型。建立旋翼气动力模型，考虑桨叶挥舞、摆振、扭转的非线性弹性变形以及相互之间的非线性耦合关系，准确描述弹性桨叶非线性运动，弹性桨叶坐标系如图2所示，通过坐标转换形式得到桨叶变形坐标系E与桨叶未变形坐标系B下的几何关系，包括轴向变形u，摆振变形v，和挥舞变形w。并将系统能量分为应变能U，动能T，外载荷W，最后采用Hamilton原理建立旋翼动力学方程，其中δ表示变分：
∫(δU-δT-δW)dt＝0
(2)建立旋翼载荷计算模型。采用力积分方法建立桨叶剖面载荷计算模型，将剖面以外的作用力，包括气动力，惯性力和阻尼器等外部作用力。得到桨叶任意剖面的六力，包括剖面展向拉力fx，剖面弦向剪力剖面弦向剪力fy，剖面垂直剪力fz，剖面挥舞弯矩mx，剖面摆振弯矩mz，剖面扭矩my。通过从桨根到桨尖的积分计算得到桨叶桨根载荷，并通过坐标系转换，桨根载荷转换到旋翼桨毂固定坐标系中如图3所示，叠加得到桨毂六力，包括阻力Fx，侧向力Fy，拉力Fz，滚转力矩Mx，俯仰力矩My，扭矩Mz。
(3)集成旋翼动力学模型和旋翼载荷计算模型，最终得到旋翼气弹计算方法。
(4)建立旋翼配平分析计算方法。以桨毂原点为中心，采用牛顿迭代法建立桨毂六力平衡方程，即旋翼配平方程，根据初始输入条件与配平目标生成Jacobian矩阵。牛顿迭代法公式如下：
Figure BDA0002700974960000041
(5)建立提高大前进比旋翼配平收敛性的迭代计算方法。采用逐步逼近法方法和残差监控方法改进旋翼配平计算方法，在配平循环流程中对前进比参数进行加密划分，逐步配平，逼近设定的前进比目标值，迭代循环过程中实时监控迭代循环中的残差变化，及时自主更新Jacobian矩阵，控制迭代计算中的参数数值，提高收敛性，解决大前进比状态下配平计算发散问题。
一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法具体实施方式如下，如图1所示：
第一步：建立旋翼动力学模型和旋翼载荷计算模型。针对旋翼前进比参数进行加密划分，采用正弦加密法将前进比参数划分为一组数值，加密划分表示如下，Ns为划分的前进比参数个数。对每一个前进比参数进行配平，当前前进比参数下配平收敛后进行下一个前进比参数配平，直至配平至目标前进比参数。即逐步逼近方式进行配平求解。
Figure BDA0002700974960000051
第二步：设定配平目标，配平目标为桨毂六力，建立配平平衡方程组，进入配平循环，采用手动输入或者内部计算两种方式给出第一个前进比参数下的初始操纵输入，后续的配平循环采用上一个前进比参数配平操纵结果作为初始操纵输入；
第三步：根据初始操纵输入和配平目标生成Jacobian矩阵；
第四步：设置收敛准则设定值，进入迭代循环，进行旋翼气弹计算；循环中采用牛顿迭代法调用Jacobian矩阵，直至迭代收敛得到最新的操纵值；期间通过每一步的迭代得到更新的操纵值，并结合上一步迭代结果计算当前迭代步的残差值error，并引入实时监控残差方法判断迭代循环的收敛性，根据残差值error的大小以及变化会出现以下几种选择：
1)若残差高于收敛准则设定值，则迭代还未收敛，则进入残差监控环节，若残差值小于上一次迭代的残差值，则继续进行迭代。
2)若残差高于收敛准则设定值，则迭代还未收敛，则进入残差监控环节，若残差值大于上一次迭代的残差值，则跳出迭代循环并根据此时的操纵值与配平目标重新生成Jacobian矩阵，重新开始新一轮的迭代循环。
3)若残差低于收敛准则设定值，则迭代收敛，当前前进比参数下的配平计算结果作为最新的操纵值，进行下一轮配平。
第五步：将迭代收敛时的操纵值作为下一个前进比参数下的操纵输入，重复进行第三、四步，直到完成所有前进比参数的计算，完成大前进比旋翼配平求解，得到配平目标配平后的操纵值。
一种提高大前进比旋翼配平收敛性的迭代计算方法采用逐步逼近法，采用逐步逼近法方法和残差监控方法改进旋翼配平计算方法，区别于传统的配平迭代计算方法，一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法对前进比参数进行加密划分，逐步逼近法计算和实时监控迭代循环中的残差变化，该方法有效地拓展了旋翼配平的计算能力且保证配平求解精度，在大前进比状态中有效避免了配平迭代中发散问题，如图4所示。

Claims (9)

1.一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法,其特征在于：所述方法包括：
第一步：获取目标前进比参数的正常范围，并在目标前进比参数的正常范围内将目标前进比参数划分为一组数值；
第二步：设定配平目标，所述配平目标为桨毂六力，建立配平平衡方程组；采用手动输入或者内部计算两种方式给出第一个前进比参数下的初始操纵输入；
第三步：根据初始操纵输入和配平目标生成Jacobian矩阵；
第四步：进入迭代循环进行旋翼气弹计算；循环中采用牛顿迭代法调用Jacobian矩阵，直至迭代收敛得到最新的操纵值，将初始操纵输入替换为最新的操纵值；
第五步：将迭代收敛时的操纵值作为下一个前进比参数下的操纵输入，重复进行第三、四步，直到完成所有前进比参数的计算，完成大前进比旋翼配平求解，得到配平目标配平后的操纵值。
2.根据权利要求1所述的一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法,其特征在于：所述第四步中，还包括：设定收敛准则设定值；每一次迭代得到新的操纵值，并结合上一次迭代结果计算出残差值，迭代循环中引入实时监控残差方法，根据残差值与收敛准则设定值的关系判断迭代的收敛性。
3.根据权利要求2所述的一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法,其特征在于：若残差值高于收敛准则设定值，则迭代尚未收敛，进入残差监控环节；若残差值小于上一次迭代的残差值，则继续进行迭代。
4.根据权利要求3所述的一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法,其特征在于：若残差值大于与上一次迭代的残差值，则跳出迭代循环并根据此时的操纵值与配平目标重新生成Jacobian矩阵，重新开始新一轮的迭代循环。
5.根据权利要求4所述的一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法,其特征在于：若残差低于收敛准则设定值，则迭代收敛，当前前进比参数下的配平计算结果作为最新的操纵值。
6.根据权利要求1所述的一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法,其特征在于：所述第一步中的前进比参数划分包括：采用正弦加密将前进比参数划分为一组数值；划分结果如下：
Figure FDA0002700974950000021
其中，Ns为划分的前进比参数个数。
7.根据权利要求1所述的一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法,其特征在于：所述第一步中，还包括：建立旋翼动力学模型和旋翼载荷计算模型。
8.根据权利要求7所述的一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法,其特征在于：所述第四步中，还包括：根据旋翼动力学模型和旋翼载荷计算模型进行旋翼气弹计算。
9.根据权利要求1所述的一种提高大前进比旋翼配平收敛性的计算方法,其特征在于：所述牛顿迭代法包括：通过以下公式计算操纵值；
λn＝λn-1-[J]-1·f(λn-1)
其中：λn为当前迭代得到的操纵值，λn-1为上一次迭代的操纵值，J为Jacobian矩阵,f为配平平衡方程组。
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