基于CFD/CSD耦合的旋翼振动载荷预估方法研究
发布时间：2021-05-13 23:13
直升机旋翼振动载荷的准确预估一直是旋翼气弹分析的难题,旋翼流场的准确计算要求同时考虑旋翼的气动特性和结构运动特性。传统的气动模型由于不能准确模拟旋翼流场的三维非定常特性,影响了旋翼振动载荷预估的准确性。本文研究基于CFD/CSD耦合的旋翼振动载荷预估方法,对于进一步提高旋翼振动载荷的预估精度有重要的作用。本文针对CFD/CSD耦合旋翼振动载荷预估中的几个关键问题开展了相关研究,主要包括:⑴基于中等变形梁理论,引入桨叶先进几何外形参数（后掠角、下反角、预扭角）,采用Hamilton原理推导了先进几何外形弹性旋翼桨叶全耦合非线性运动方程。然后采用空间有限元的方法对桨叶进行离散,离散的桨叶考虑单元内部刚度特性和质量特性随着局部径向坐标的变化而改变,最后采用6点高斯数值积分的方法完成了桨叶非线性结构动力学有限元建模。⑵基于FLUENT流体分析平台,采用结构和非结构结合的网格离散方法,利用用户自定义函数、I/O文件方式传递CSD模型中获得的旋翼桨叶挥舞、摆振和变距运动并驱动动网格,实现CFD/CSD的耦合。依此为基础,综合研究了变距、挥舞运动耦合及周期交变来流作用下的NACA0012二维翼型动态...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
注释表
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 国内外研究现状
1.2.1 旋翼结构动力学模型
1.2.2 旋翼空气动力学模型
1.2.3 旋翼桨叶稳态响应求解
1.2.4 基于CFD/CSD耦合方法的旋翼综合分析
1.3 本文主要研究内容
第二章 基于高斯数值积分的先进气动外形旋翼气弹综合分析模型
2.1 引言
2.2 旋翼桨叶运动描述、先进气动外形描述与坐标系
2.2.1 弹性桨叶任意一点运动描述
2.2.2 先进几何外形弹性桨叶变形剖面上任一点的矢量表示
2.3 桨叶运动方程推导
2.3.1 桨叶应变能
2.3.2 桨叶动能
2.3.3 桨叶外力虚功
2.4 桨叶有限元离散及19自由度高斯积分单元
2.5 桨叶固有特性分析
2.6 桨叶结构模型验证
2.6.1 无铰式模型旋翼模态分析与验证
2.6.2 SA349/2 铰接式旋翼桨叶固有特性分析
2.6.3 非线性梁静变形分析
2.7 本章小结
第三章 旋翼CFD数值模拟方法
3.1 引言
3.2 CFD数值方法
3.2.1 控制方程
3.2.2 空间离散
3.2.3 边界条件
3.2.4 CFD的求解流程
3.3 旋翼气动力计算CFD建模
3.3.1 网格及其生成方法
3.3.2 动网格更新
3.4 翼型动态失速特性及CFD非定常数值模拟
3.4.1 翼型动态失速及非定常气动模型
3.4.2 翼型动态失速CFD数值模拟
3.5 考虑刚性桨叶运动的旋翼流场CFD计算方法
3.5.1 网格划分
3.5.2 刚性旋翼运动的实现及湍流模型
3.5.3 F.X.Caradonna悬停模型旋翼CFD数值模拟
3.6 本章小结
第四章 直升机旋翼配平及CFD/CSD耦合策略
4.1 引言
4.2 旋翼CFD分析的配平模型
4.3 旋翼CFD/CSD耦合策略
4.3.1 松耦合方法
4.3.2 紧耦合方法
4.4 采用CFD/CSD紧耦合方法的二维翼型综合气弹分析
4.4.1 二维翼型气弹模型
4.4.2 结构运动方程及响应求解
4.4.3 气动力CFD计算及紧耦合方法
4.4.4 计算结果及分析
4.5 本章小结
第五章 旋翼振动载荷预估的CFD/CSD耦合方法
5.1 引言
5.2 桨叶稳态气弹响应计算
5.3 桨叶剖面振动载荷计算
5.3.1 模态积分法
5.3.2 力积分法
5.4 采用CFD/CSD松耦合方法的旋翼振动载荷预估
5.4.1 桨叶剖面气动载荷对比验证
5.4.2 桨叶剖面结构振动载荷计算
5.5 本章小结
第六章 全文工作总结与展望
6.1 全文工作总结
6.2 全文工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非惯性系的悬停状态旋翼CFD/CSD耦合气动分析[J]. 肖宇,徐国华,招启军. 空气动力学学报. 2014(05)
[2]无轴承旋翼/减摆器的气动弹性力学研究[J]. 胡新宇,韩景龙. 中国矿业大学学报. 2008(04)
[3]基于N-S方程的悬停旋翼桨叶气动干扰数值模拟[J]. 李晓晖,熊峻江. 空气动力学学报. 2007(02)
[4]弹性耦合对直升机复合材料桨叶稳定性的影响[J]. 尹维龙,向锦武. 复合材料学报. 2006(04)
[5]计入桨叶运动的旋翼CFD网格设计技术[J]. 招启军,徐国华. 南京航空航天大学学报. 2004(03)
[6]直升机后掠桨尖旋翼气弹稳定性研究[J]. 杨卫东,邓景辉. 南京航空航天大学学报. 2003(03)
[7]悬停旋翼粘性绕流N-S方程数值模拟[J]. 杨爱明,乔志德. 西北工业大学学报. 2000(04)
[8]直升机旋翼桨叶截面刚度的有限元计算[J]. 向锦武,张晓谷,赵翔. 航空动力学报. 1998(02)
[9]前飞状态直升机旋翼的自由尾迹计算[J]. 徐国华,王适存. 南京航空航天大学学报. 1997(06)
[10]悬停状态旋翼尾迹研究及气动特性计算[J]. 陈仁良. 空气动力学学报. 1995(03)
博士论文
[1]直升机复合材料桨叶动力学减振优化设计研究[D]. 陈琨.南京航空航天大学 2014
[2]基于CFD/CSD耦合的旋翼气动弹性数值模拟[D]. 陈龙.南京航空航天大学 2011
[3]新型桨尖弹性旋翼气动特性的Navier-Stokes方程数值模拟[D]. 徐广.南京航空航天大学 2010
[4]旋翼非定常自由尾迹及高置信度直升机飞行力学建模研究[D]. 李攀.南京航空航天大学 2010
[5]计入桨叶结构弹性的新型桨尖旋翼流场数值模拟研究[D]. 王海.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]先进几何外形复合材料旋翼桨叶弹性剪裁方法研究[D]. 殷启波.南京航空航天大学 2014
[2]复合材料旋翼桨叶参数化建模与减振优化方法研究[D]. 曹冬冬.南京航空航天大学 2013
[3]旋翼流场及气动弹性的数值模拟[D]. 钱凯.南京航空航天大学 2012
[4]基于CFD/CSD弱耦合的直升机旋翼气弹特性研究[D]. 刘成.南京航空航天大学 2011
[5]旋翼振动载荷计算与分析[D]. 孙韬.南京航空航天大学 2010
[6]直升机旋翼气动弹性响应的数值积分算法研究[D]. 张伟.南京航空航天大学 2010
本文编号：3184874
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
注释表
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 国内外研究现状
1.2.1 旋翼结构动力学模型
1.2.2 旋翼空气动力学模型
1.2.3 旋翼桨叶稳态响应求解
1.2.4 基于CFD/CSD耦合方法的旋翼综合分析
1.3 本文主要研究内容
第二章 基于高斯数值积分的先进气动外形旋翼气弹综合分析模型
2.1 引言
2.2 旋翼桨叶运动描述、先进气动外形描述与坐标系
2.2.1 弹性桨叶任意一点运动描述
2.2.2 先进几何外形弹性桨叶变形剖面上任一点的矢量表示
2.3 桨叶运动方程推导
2.3.1 桨叶应变能
2.3.2 桨叶动能
2.3.3 桨叶外力虚功
2.4 桨叶有限元离散及19自由度高斯积分单元
2.5 桨叶固有特性分析
2.6 桨叶结构模型验证
2.6.1 无铰式模型旋翼模态分析与验证
2.6.2 SA349/2 铰接式旋翼桨叶固有特性分析
2.6.3 非线性梁静变形分析
2.7 本章小结
第三章 旋翼CFD数值模拟方法
3.1 引言
3.2 CFD数值方法
3.2.1 控制方程
3.2.2 空间离散
3.2.3 边界条件
3.2.4 CFD的求解流程
3.3 旋翼气动力计算CFD建模
3.3.1 网格及其生成方法
3.3.2 动网格更新
3.4 翼型动态失速特性及CFD非定常数值模拟
3.4.1 翼型动态失速及非定常气动模型
3.4.2 翼型动态失速CFD数值模拟
3.5 考虑刚性桨叶运动的旋翼流场CFD计算方法
3.5.1 网格划分
3.5.2 刚性旋翼运动的实现及湍流模型
3.5.3 F.X.Caradonna悬停模型旋翼CFD数值模拟
3.6 本章小结
第四章 直升机旋翼配平及CFD/CSD耦合策略
4.1 引言
4.2 旋翼CFD分析的配平模型
4.3 旋翼CFD/CSD耦合策略
4.3.1 松耦合方法
4.3.2 紧耦合方法
4.4 采用CFD/CSD紧耦合方法的二维翼型综合气弹分析
4.4.1 二维翼型气弹模型
4.4.2 结构运动方程及响应求解
4.4.3 气动力CFD计算及紧耦合方法
4.4.4 计算结果及分析
4.5 本章小结
第五章 旋翼振动载荷预估的CFD/CSD耦合方法
5.1 引言
5.2 桨叶稳态气弹响应计算
5.3 桨叶剖面振动载荷计算
5.3.1 模态积分法
5.3.2 力积分法
5.4 采用CFD/CSD松耦合方法的旋翼振动载荷预估
5.4.1 桨叶剖面气动载荷对比验证
5.4.2 桨叶剖面结构振动载荷计算
5.5 本章小结
第六章 全文工作总结与展望
6.1 全文工作总结
6.2 全文工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非惯性系的悬停状态旋翼CFD/CSD耦合气动分析[J]. 肖宇,徐国华,招启军. 空气动力学学报. 2014(05)
[2]无轴承旋翼/减摆器的气动弹性力学研究[J]. 胡新宇,韩景龙. 中国矿业大学学报. 2008(04)
[3]基于N-S方程的悬停旋翼桨叶气动干扰数值模拟[J]. 李晓晖,熊峻江. 空气动力学学报. 2007(02)
[4]弹性耦合对直升机复合材料桨叶稳定性的影响[J]. 尹维龙,向锦武. 复合材料学报. 2006(04)
[5]计入桨叶运动的旋翼CFD网格设计技术[J]. 招启军,徐国华. 南京航空航天大学学报. 2004(03)
[6]直升机后掠桨尖旋翼气弹稳定性研究[J]. 杨卫东,邓景辉. 南京航空航天大学学报. 2003(03)
[7]悬停旋翼粘性绕流N-S方程数值模拟[J]. 杨爱明,乔志德. 西北工业大学学报. 2000(04)
[8]直升机旋翼桨叶截面刚度的有限元计算[J]. 向锦武,张晓谷,赵翔. 航空动力学报. 1998(02)
[9]前飞状态直升机旋翼的自由尾迹计算[J]. 徐国华,王适存. 南京航空航天大学学报. 1997(06)
[10]悬停状态旋翼尾迹研究及气动特性计算[J]. 陈仁良. 空气动力学学报. 1995(03)
博士论文
[1]直升机复合材料桨叶动力学减振优化设计研究[D]. 陈琨.南京航空航天大学 2014
[2]基于CFD/CSD耦合的旋翼气动弹性数值模拟[D]. 陈龙.南京航空航天大学 2011
[3]新型桨尖弹性旋翼气动特性的Navier-Stokes方程数值模拟[D]. 徐广.南京航空航天大学 2010
[4]旋翼非定常自由尾迹及高置信度直升机飞行力学建模研究[D]. 李攀.南京航空航天大学 2010
[5]计入桨叶结构弹性的新型桨尖旋翼流场数值模拟研究[D]. 王海.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]先进几何外形复合材料旋翼桨叶弹性剪裁方法研究[D]. 殷启波.南京航空航天大学 2014
[2]复合材料旋翼桨叶参数化建模与减振优化方法研究[D]. 曹冬冬.南京航空航天大学 2013
[3]旋翼流场及气动弹性的数值模拟[D]. 钱凯.南京航空航天大学 2012
[4]基于CFD/CSD弱耦合的直升机旋翼气弹特性研究[D]. 刘成.南京航空航天大学 2011
[5]旋翼振动载荷计算与分析[D]. 孙韬.南京航空航天大学 2010
[6]直升机旋翼气动弹性响应的数值积分算法研究[D]. 张伟.南京航空航天大学 2010
本文编号：3184874
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