關(guān)于無(wú)軸承旋翼直升機(jī)氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性分析

張洋 崔旭東 吳東風(fēng)

摘要：無(wú)軸承旋翼在直升飛機(jī)中的應(yīng)用較為廣泛，在開(kāi)展這類直升機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性的分析，保障直升機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。基于此，本文將氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性分析作為研究對(duì)象，以滑橇式起落架結(jié)構(gòu)為例，構(gòu)建了旋翼模型，以此開(kāi)展模態(tài)偶合分析，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性的分析。

關(guān)鍵詞：直升機(jī);氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性;有限元

前言

無(wú)軸承旋翼直升機(jī)具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、自身重量輕及韌性高等優(yōu)勢(shì)，在直升機(jī)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展趨勢(shì)。上述優(yōu)勢(shì)主要是因?yàn)檫@類直升機(jī)采用了柔性梁，使其彈韌性更高，有助于直升機(jī)槳葉運(yùn)動(dòng)特性的改進(jìn)。但是由于無(wú)軸承旋翼直升機(jī)的柔性梁大都具備較高的柔性系數(shù)，所以在受力狀況下，產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)形式相對(duì)復(fù)雜，不可以采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

一、無(wú)軸承旋翼直升機(jī)氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性分析模型的構(gòu)建

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)無(wú)軸承旋翼直升機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性的分析主要涵蓋機(jī)體、旋翼結(jié)構(gòu)這兩個(gè)方面。因此，本文設(shè)計(jì)的分析模型包括機(jī)體分析模型以及旋翼結(jié)構(gòu)分析模型這兩種。對(duì)于機(jī)體分析模型來(lái)說(shuō)，需要將直升機(jī)的機(jī)體設(shè)定為剛體，并排除其他因素的影響，僅分析起落架機(jī)體運(yùn)動(dòng)對(duì)槳葉產(chǎn)生的約束，確保約束剛度和阻尼屬于線性狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，直升機(jī)的起落架包括滑橇式以及緩沖器式等多種類型，本文主要選擇滑橇式起落架作為研究對(duì)象，進(jìn)行機(jī)體分析模型的構(gòu)建。分析模型主要涵蓋機(jī)體質(zhì)心部位的六個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)自由度，分別計(jì)算機(jī)體的振動(dòng)特征。以模態(tài)參數(shù)為例，技術(shù)人員可以將機(jī)體振動(dòng)模態(tài)參數(shù)看做是槳葉中心部位的有效量，如有效質(zhì)量、有效剛度以及有效阻尼，完成分析模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集。與此同時(shí)，技術(shù)人員還可以根據(jù)槳葉中心振動(dòng)特征試驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性平面動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建，用于機(jī)體結(jié)構(gòu)的分析。

對(duì)于旋翼結(jié)構(gòu)分析模型來(lái)說(shuō)，技術(shù)人員需要全面分析槳葉揮舞、槳葉扭轉(zhuǎn)以及槳葉擺振等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確保槳葉和槳轂、減擺器和槳轂以及減擺器和操縱線系間的連接可以進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員需要通過(guò)有限元方法，進(jìn)行旋翼槳葉動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建。通常情況下，技術(shù)人員會(huì)將模型坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)定為槳轂中心，并根據(jù)旋翼軸沿著機(jī)體軸的轉(zhuǎn)角，明確旋翼軸的坐標(biāo)及具體方向?；谟邢拊椒?，無(wú)軸承旋翼直升機(jī)的旋翼結(jié)構(gòu)可以被模擬為有限梁?jiǎn)卧?、有限桿單元以及阻尼單元等部分，參照協(xié)調(diào)關(guān)系以及槳葉的傳力路線，明確各個(gè)有限單元的位移，為分析模型提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)參照。在具體的計(jì)算過(guò)程中，技術(shù)人員需要在槳葉節(jié)點(diǎn)中選取六個(gè)自由度進(jìn)行分析，并利用有限元方法將槳葉離散為n個(gè)梁?jiǎn)卧?，提升分析模型的分析?zhǔn)確性[1]。在分析模型構(gòu)建完成后，技術(shù)人員需要將其應(yīng)用于直升機(jī)氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性分析的全過(guò)程中。

二、無(wú)軸承旋翼直升機(jī)氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性分析模型的應(yīng)用

（一）振動(dòng)狀態(tài)下的槳葉穩(wěn)定性分析

在分析模型構(gòu)建完成后，技術(shù)人員需要對(duì)振動(dòng)狀態(tài)下的槳葉穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)合仿真模擬實(shí)驗(yàn)，明確槳葉的振動(dòng)特征對(duì)氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。具體而言，主要分析槳葉揮舞、槳葉扭轉(zhuǎn)以及槳葉擺振等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，其振動(dòng)特征的影響。在模態(tài)耦合的分析結(jié)果顯示中，如果槳葉的振動(dòng)模態(tài)為前擺，則表明槳葉的扭矩有所增加，其揮舞動(dòng)作會(huì)隨著扭矩的變化而變化;如果槳葉的振動(dòng)模態(tài)為揮舞，則表明槳葉的扭矩有所增加，其擺振效果會(huì)不斷增加。上述兩種動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系均會(huì)對(duì)槳葉的正常振動(dòng)產(chǎn)生不利影響，從而提升槳葉的運(yùn)動(dòng)阻尼，降低氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性。

另外，在無(wú)軸承旋翼直升機(jī)中，耦合振動(dòng)模態(tài)還會(huì)受到軸套以及變距控制系統(tǒng)剛度的影響。因此，在進(jìn)行無(wú)軸承旋翼直升機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要合理控制軸套的布局及變距控制系統(tǒng)剛度的定值，實(shí)現(xiàn)耦合振動(dòng)模態(tài)的優(yōu)化，降低槳葉的運(yùn)動(dòng)阻尼，從而提升氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性。

（二）空中振動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析

對(duì)于無(wú)軸承旋翼直升機(jī)而言，其空中振動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析是最為重要的內(nèi)容之一。通過(guò)上述分析可知，直升機(jī)出現(xiàn)的槳葉揮舞、槳葉扭轉(zhuǎn)以及槳葉擺振等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)對(duì)氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。在空中振動(dòng)狀態(tài)下，如果直升機(jī)槳葉的振動(dòng)耦合模態(tài)呈現(xiàn)出揮舞后退結(jié)果，就表明氣動(dòng)力對(duì)直升機(jī)氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的阻尼，導(dǎo)致直升機(jī)進(jìn)入高阻尼模態(tài)。一旦直升機(jī)進(jìn)入高阻尼模態(tài)，將會(huì)大大降低其機(jī)械控制能力，從而降低其氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員需要在無(wú)軸承旋翼直升機(jī)中安裝減擺器，降低氣動(dòng)力產(chǎn)生的阻尼作用，從而避免槳葉在不穩(wěn)定狀態(tài)下出現(xiàn)較大的耦合振動(dòng)，有助于氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性的提升。

（三）地面共振狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行無(wú)軸承旋翼直升機(jī)的氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性分析時(shí)，不僅需要進(jìn)行空中振動(dòng)狀態(tài)的分析，還需要對(duì)地面共振狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析?；谏鲜龇治瞿Ｐ?，地面共振狀態(tài)下的氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性會(huì)受到阻尼器剛度以及機(jī)體模態(tài)阻尼這兩項(xiàng)因素的影響。和機(jī)體的模態(tài)阻尼相比，阻尼器剛度對(duì)氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。因此，本文主要分析機(jī)體模態(tài)阻尼產(chǎn)生的影響。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)體模態(tài)阻尼系統(tǒng)越大，就表明槳葉的振動(dòng)越穩(wěn)定。在無(wú)軸承旋翼直升機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)提升機(jī)體模態(tài)阻尼的方式，避免直升機(jī)槳葉出現(xiàn)耦合異常振動(dòng)狀況，從而提升直升機(jī)的氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性[2]。

結(jié)論

綜上所述，無(wú)軸承旋翼直升機(jī)的結(jié)構(gòu)較為特殊，需要采用不同的氣動(dòng)機(jī)械穩(wěn)定性分析方法。通過(guò)本文分析可知，技術(shù)人員可以根據(jù)無(wú)軸承旋翼直升機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行相應(yīng)分析模型的構(gòu)建，并對(duì)直升機(jī)振動(dòng)狀態(tài)下的槳葉穩(wěn)定性、空中振動(dòng)及地面共振狀況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，進(jìn)一步完善直升機(jī)的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]謝強(qiáng)，黨維，李亮明.直升機(jī)機(jī)動(dòng)穩(wěn)定性試飛方法[J].工程與試驗(yàn)，2018，58（01）：43-45+65.

[2]喬繼周. 共軸雙旋翼直升機(jī)地面共振不穩(wěn)定性抑制研究[D].南京航空航天大學(xué)，2017.

（作者單位：32145部隊(duì)）