直升机复合材料桨叶参数化设计与调频优化方法

发布时间：2017-10-26 18:15

  本文关键词：直升机复合材料桨叶参数化设计与调频优化方法

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【摘要】：调频设计是直升机旋翼动力学设计的基础内容,良好的调频设计往往是动力学减振设计及稳定性设计的必要条件。传统的调频设计依赖设计者的经验,是“人在回路”的反复修改与迭代过程,费时费力,多数情况下只能得到可行解,综合运用基于参数化模型的优化技术可极大地提高旋翼调频设计的质量和效率。本文重点研究了复合材料旋翼桨叶参数化建模方法以及基于参数化模型的动力学调频优化方法,完成了如下工作:(1)本文详细讨论了典型复合材料旋翼桨叶的结构特征,提出了一种有效的参数化描述与建模方法,建立了典型复合材料桨叶剖面的有限元网格自动剖分方法,并编写了直升机复合材料桨叶的参数化建模程序,实现了对多种形式的桨叶剖面进行参数化建模的功能。以旋翼机金属桨叶、球柔性工程模型旋翼桨叶、“海豚”直升机复合材料桨叶等为例,进行了参数化方法的计算分析,验证了方法的正确性。(2)基于Hodges的中等变形旋转梁理论,本文利用5节点15自由度梁单元,建立了非线性旋翼动力学分析的有限元模型;针对无轴承旋翼的多路传力构型,发展了一种位移协调的动力学边界约束关系模型,实现了对无轴承旋翼构型动力学特性的准确分析。以球柔性模型桨叶、多路传力无轴承旋翼桨叶及铰接式SA349/2直升机复合材料桨叶等为算例进行了分析对比,验证了本文非线性结构动力学模型的正确性。(3)在调频设计方面,本文提出了“直接优化”与“分级优化”两种优化策略,编写了基于多种群遗传算法的桨叶调频优化程序,实现了真实工程模型桨叶的调频设计,优化方案合理可行,证明了两种调频优化策略的有效性。
【关键词】：直升机 复合材料桨叶 参数化建模 遗传算法 调频优化
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V275.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13-17
• 第一章 绪论17-22
• 1.1 引言17
• 1.2 国内外研究情况综述17-21
• 1.2.1 直升机旋翼桨叶的参数化建模17-18
• 1.2.2 非线性梁模型18-19
• 1.2.3 直升机动力学优化设计19-21
• 1.3 本文的研究目的及主要研究内容21-22
• 第二章 旋翼桨叶参数化建模研究22-43
• 2.1 引言22
• 2.2 典型复合材料旋翼桨叶的参数化建模方法22-28
• 2.2.1 典型复合材料旋翼桨叶的结构特征22
• 2.2.2 典型复合材料桨叶剖面结构参数化表达22-24
• 2.2.3 蒙皮与包铁的参数化24-25
• 2.2.4 C型大梁的参数化25-26
• 2.2.5 配重的参数化26
• 2.2.6 Z/U型梁的参数化26-27
• 2.2.7 后缘条的参数化27-28
• 2.2.8 桨叶剖面材料坐标系的定义28
• 2.3 典型剖面网格自动剖分方法28-30
• 2.3.1 包铁及蒙皮网格自动剖分方法29
• 2.3.2 C型大梁网格与配重自动剖分方法29-30
• 2.3.3 其他部件的网格剖分30
• 2.4 一般剖面形状桨叶参数化建模方法与网格的自动剖分30-32
• 2.4.1 一般剖面形状桨叶参数化表达30-31
• 2.4.2 一般剖面形状桨叶剖面网格自动剖分31-32
• 2.5 基于UM/VABS的桨叶剖面特性计算流程及剖面灵敏度分析32-34
• 2.5.1 剖面特性计算流程32-33
• 2.5.2 剖面特性计灵敏度分析33-34
• 2.6 算例验证34-43
• 2.6.1 盒形梁34-35
• 2.6.2“海豚”直升机复合材料桨叶剖面刚度特性算例35-38
• 2.6.3 旋翼机铝合金桨叶剖面刚度特性算例38-41
• 2.6.4 模型桨叶剖面刚度特性算例41-43
• 第三章 复合材料桨叶结构动力学模型43-63
• 3.1 引言43
• 3.2 翼桨叶强耦合非线性的挥-摆-扭-拉运动方程43-51
• 3.2.1 基于广义Hamilton原理的桨叶运动方程43-44
• 3.2.2 应变能变分及桨叶剖面刚度特性44-47
• 3.2.3 动能变分及桨叶剖面质量特性47-48
• 3.2.4 外力虚功及桨叶剖面的气动特性48-50
• 3.2.5 桨叶的强耦合非线性运动方程50-51
• 3.3 动力学边界条件及无轴承旋翼的根部多路传力模型51-56
• 3.3.1 无轴承旋翼分析模型51-52
• 3.3.2 无轴承旋翼运动学分析52-55
• 3.3.3 有限元模型及约束处理55-56
• 3.4 旋翼桨叶动力学分析的有限元方法56-60
• 3.4.1 桨叶有限元控制方程及非线性载荷项的处理56-59
• 3.4.2 模态分析59-60
• 3.5 旋翼桨叶动力学模型验证60-63
• 第四章 复合材料桨叶调频优化方法63-80
• 4.1 引言63
• 4.2 优化问题的数学描述63-66
• 4.2.1 优化变量64-65
• 4.2.2 约束函数65-66
• 4.2.3 优化目标66
• 4.3 基于均匀设计的多种群遗传算法66-68
• 4.3.1 经典遗传算法66-67
• 4.3.2 多种群遗传算法67-68
• 4.4 桨叶调频优化68-78
• 4.4.1 复合材料旋翼桨叶优化流程68-70
• 4.4.2 优化算例70-78
• 4.5 小结78-80
• 第五章 总结与展望80-82
• 5.1 主要研究工作总结80-81
• 5.2 主要创新点81
• 5.3 研究展望81-82
• 参考文献82-87
• 致谢87-88
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文88

【参考文献】

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本文编号：1099864