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基于模态修型的旋翼气弹动力学多目标减振优化研究

作　者: 王红州
导　师: 张呈林
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 气弹动力学模型有限元模型模态修型减振灵敏度分析代理模型铰接式旋翼无轴承旋翼多目标优化
分类号: V211.47
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

直升机在国防、国民经济建设中有着十分重要的作用,直升机设计尤其旋翼系统设计,其实质是动力学设计问题。旋翼系统动力学主要包括振动载荷、振动及动力稳定性三个方面的问题。旋翼气弹动力学优化是当前国内外直升机技术研究的热点之一。旋翼的气弹动力学特性直接影响直升机多方面的性能和飞行安全,旋翼动力学设计影响因素众多,涉及到空气动力学与噪声、结构动力学、振动与控制等各类学科的知识和各学科间的耦合。传统的旋翼动力学设计是一个“人在回路”的、反复修改的迭代过程,费时费力,常依赖设计者的经验,求得的只是可行解,往往可能导致重大的设计反复。上世纪80年代以来迅速发展的优化技术为直升机旋翼动力学设计提供了参考。近二十年来,在直升机动力学优化方面,国内外开展了广泛和深入的研究,但是因为直升机旋翼动力学优化有其特殊性和复杂性,目前尚不成熟。本文旨在通过对旋翼气弹动力学模型的分析,提出解决旋翼动力学问题的优化策略和方案,建立适用于工程应用的旋翼动力学优化设计方法。本文首先分析了直升机设计中存在的动力学问题、国内外在直升机动力学、旋翼气弹动力学以及相应气弹动力学优化方面的研究情况;旋翼气弹稳定性优化以及桨毂减振优化研究情况。然后给出了适用于本文研究的旋翼气弹动力学模型,分析了直升机减振的模态修型方法的可行性和有效性。通过桨根剪力叠加推导出桨毂载荷计算方法,提出在多约束条件下的桨毂和变距拉杆减振的多目标优化方法和策略,最后通过算例验证了模型的正确性与减振优化方法的有效性。本文基于Hamilton原理给出了旋翼耦合系统的气弹动力学模型,采用有限元法对结构模型进行有限元离散,给出了结构系统的有限元模型。通过对旋翼系统气弹动力学有限元模型求解,以算例验证了气弹动力学模型的有效性和鲁棒性。基于求得的旋翼气弹动力学模态频率及振型,采用模态修型方法推导了旋翼桨根力及桨毂载荷计算方法。并以算例验证了模态修型减振的桨毂载荷计算方法的正确性与有效性。针对旋翼气弹动力学及载荷计算模型,给出了多目标优化定义、多目标优化问题的解法、优化策略及优化流程。运用了摄动法和链式规则的直接灵敏度分析技术分析了设计变量对目标函数及约束函数的灵敏度,采用多项式响应面近似代理模型,Kriging近似代理模型进行旋翼气弹动力学和桨毂计算载荷模型近似处理,采用改进遗传模拟退火算法开展了模态修型的旋翼气弹动力学多目标减振优化。基于旋翼气弹动力学模型及模态修型减振的旋翼桨毂载荷计算模型,提出了在旋翼气弹稳定性、转动惯量、多频率等约束条件下的最小桨毂振动载荷、最小变距拉杆拉力和最小桨叶质量的旋翼气弹动力学多目标优化。在算例验证方面,以SA349/2直升机的铰接式旋翼和某无轴承模型旋翼为算例进行优化。对于不同的旋翼型式,提出了具体的约束函数、目标函数、设计变量及相应的优化策略进行多目标优化研究。通过与国内外优化及试验结果对比,验证气弹动力学模型、模态修型减振模型以及多目标优化方法和优化策略的正确性和鲁棒性。本文在模态修型的桨毂载荷及变距拉杆拉力计算、直升机旋翼气弹动力学多目标减振优化的灵敏度分析方法、多项式以及Kriging近似代理模型、改进的遗传模拟退火算法的综合应用和先进的无轴承旋翼剖面形状优化方面都有明显的创新。动力学模型推导计算和多目标优化的解法及优化策略具有一定工程意义,对研究直升机的其它飞行状况及其它结构的优化设计具有一定的参考。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-21
第一章绪论  21-40
  1.1 引言  21
  1.2 直升机旋翼气弹动力学国内外研究情况  21-26
    1.2.1 国外直升机旋翼气弹动力学研究情况  22-25
    1.2.2 国内直升机旋翼气弹动力学研究情况  25-26
  1.3 直升机旋翼气弹动力学设计优化研究情况  26-37
    1.3.1 直升机旋翼气弹动力学设计优化面临的主要问题  27-31
    1.3.2 国外直升机旋翼气弹动力学设计优化应用情况  31-37
    1.3.3 国内直升机旋翼气弹动力学设计优化应用情况  37
  1.4 本文的主要研究工作  37-38
  1.5 本文的内容安排  38-40
第二章旋翼气弹动力学模型  40-66
  2.1 引言  40
  2.2 旋翼系统坐标系及位移场定义  40-46
    2.2.1 坐标系统的定义及其转换关系  40-44
    2.2.2 位移场定义  44-46
  2.3 旋翼气弹动力学模型  46-56
    2.3.1 直升机旋翼系统运动方程  46
    2.3.2 桨叶应变能变分δU_b  46-49
    2.3.3 桨叶动能变分δT_b  49-51
    2.3.4 桨叶外力功变分δW_b  51-56
  2.4 旋翼气弹动力学有限元模型  56-59
    2.4.1 旋翼桨叶有限元离散  56-57
    2.4.2 旋翼桨叶有限元模型运动描述  57-59
  2.5 旋翼气弹动力学模型数值求解  59-61
  2.6 旋翼气弹动力学模型算例验证  61-65
    2.6.1 Princeton 梁动特性计算  61-63
    2.6.2 Harris 铰接式旋转梁动特性计算  63-65
  2.7 本章小结  65-66
第三章面向减振优化的桨毂载荷计算及模态修型研究  66-85
  3.1 引言  66
  3.2 桨根力及力矩计算  66-74
    3.2.1 挥舞方向桨根力及力矩计算  66-69
    3.2.2 摆振方向桨根力及力矩计算  69-72
    3.2.3 变距方向桨根扭矩计算  72-74
  3.3 面向桨根力减振优化的模态修型方法  74-77
    3.3.1 模态修型参数定义及讨论  74-75
    3.3.2 模态修型的桨根力减振优化算例  75-77
  3.4 旋翼桨毂力及力矩计算  77-83
    3.4.1 桨毂载荷计算推导  77-81
    3.4.2 桨毂载荷计算算例  81-83
  3.5 本章小结  83-85
第四章多目标优化及优化策略研究  85-117
  4.1 引言  85
  4.2 多目标优化问题  85-94
    4.2.1 多目标优化问题的数学描述及分类  85-86
    4.2.2 多目标优化问题定义及其解  86-88
    4.2.3 多目标优化问题的解法  88-90
    4.2.4 本文多目标优化问题的解法  90-92
    4.2.5 算例验证  92-94
  4.3 多目标优化策略  94-114
    4.3.1 灵敏度分析技术  94-104
    4.3.2 算例验证  104-106
    4.3.3 近似代理模型研究  106-109
    4.3.4 算例验证  109-111
    4.3.5 改进的遗传模拟退火算法  111-113
    4.3.6 算例验证  113-114
  4.4 优化流程  114-115
  4.5 本章小结  115-117
第五章模态修型减振的旋翼气弹动力学多目标优化  117-139
  5.1 引言  117
  5.2 模态修型减振的铰接式旋翼气弹动力学多目标优化  117-128
    5.2.1 铰接式旋翼分析模型  117-118
    5.2.2 铰接式旋翼多目标优化模型  118-121
    5.2.3 铰接式旋翼多目标优化算例描述  121
    5.2.4 铰接式旋翼算例优化结果与分析  121-128
  5.3 模态修型减振的无轴承旋翼气弹动力学多目标优化  128-138
    5.3.1 无轴承旋翼分析模型  128-130
    5.3.2 无轴承旋翼优化模型  130-131
    5.3.3 无轴承旋翼多目标优化算例描述  131-133
    5.3.4 优化结果与分析  133-138
  5.4 本章小结  138-139
第六章结论与展望  139-142
  6.1 研究总结  139-140
    6.1.1 主要研究的工作  139-140
    6.1.2 主要创新点  140
  6.2 进一步研究的展望  140-142
参考文献  142-158
致谢  158-159
在学期间的研究成果及发表的学术论文  159-160

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