动态失速下翼型气弹响应实验方法研究及数值仿真

发布时间：2017-08-14 05:27

  本文关键词：动态失速下翼型气弹响应实验方法研究及数值仿真

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【摘要】：动态失速是直升机在前飞状态下旋翼后行桨叶出现的典型非定常气动力现象,除限制了直升机前飞速度的提高外,由于气动力与桨叶(周期性)运动和结构的耦合引起的桨叶非线性气弹响应是导致旋翼振动以致结构疲劳的重要因素之一。因而使得在动态失速下旋翼的气弹响应预测成为旋翼设计的关键也是热点问题之一。虽然人们利用CFD/CSD气弹响应计算方法(松/紧耦合)对其进行了一些分析,但由于计算量巨大或气动力模型不够精确,而实验研究又十分缺乏,结果至今对动态失速气弹耦合响应机理认识仍显得不足,从而使得该问题的解决成为工程设计迫切关心的问题。本文为加深对动态失速下翼型的气弹响应机理的认识,开展了以下工作:1、调研分析了现有研究成果,基于B-L气动力模型结合动力学方程建立了带弹簧约束的俯仰振荡翼型的气弹耦合响应物理和数学模型,构建了非线性气弹紧耦合响应计算方法。通过初步分析,获得了复杂的气弹响应图像,说明在动态失速下带弹簧约束的俯仰振荡翼型在气动力和结构变形之间具有十分复杂的耦合响应特性。结合其他学者的研究,表明不仅系统参数(运动初值)的变化对气弹响应有着十分重要的影响,而且气动力模型的不同会有显著不同的响应预测结果,进一步证实了开发更为符合实际的气动力模型是十分重要的。但前提是要对真实系统的响应机理有更为准确的认识才行,这一点目前最可行的方法之一就是通过系统的实验来进行研究;2、设计了带弹簧约束的俯仰振荡翼型的动态失速下气弹响应实验装置,并能兼顾刚体模型实验,且约束弹簧刚度可变换。解决了(1)内嵌天平的设计问题。由于研究性风洞试验段一般尺寸较小,所设计模型因堵塞度限制了尺寸,对天平设计提出了非常苛刻的要求。为了解决该问题,我们比较了多种方案,主要是多天平方案存在相互干扰难以消除的问题。最后还是在内嵌式天平上通过巧妙的结构和力学设计克服了载荷大、空间有限等问题,成功解决了这一难题;(2)带弹簧约束情况下对模型驱动的问题。为了在风洞中模拟翼型的气弹耦合响应,需要在翼型俯仰振荡运动中使得弹簧能随翼型的振荡在非定常气动力作用下自由变形,并且可更换不同刚度的弹簧,因此弹性模块必须是在动力驱动系统与模型间安装,且需要设计特殊机构使得弹簧刚度可调。因此,通过结构分析和力传递原理分析,利用相对简单且低成本的连杆机构解决了该问题。3、开展了动态失速下带弹簧约束的俯仰振荡翼型的气弹响应实验。通过与数值响应结果对比分析,发现实际系统的响应与预测结果有较大差别,主要在于:(1)模型系统的阻尼未在动力学方程中考虑且可以预计较难测准。通过预设一定的阻尼,数值响应结果的趋势与实验结果逐渐接近;(2)气动力模型本身还存在与实际不符之处。如对非定常复杂流动的反映不足;(3)非线性气弹耦合响应使得绕翼型的流动更加复杂,气动力模型难以实时反映这种流动的变化情况。
【关键词】：翼型 动态失速 气弹耦合 响应机理 风洞实验技术
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 课题来源、研究背景与意义16-17
• 1.1.1 课题来源16
• 1.1.2 研究背景与意义16-17
• 1.2 国内外研究概况17-23
• 1.2.1 二维动态失速机理和模型的建立17-18
• 1.2.2 动态失速影响因素的分析18-19
• 1.2.3 动态失速下气弹响应实验研究19-23
• 1.3 本文主要工作和内容23-26
• 第二章 非线性气弹耦合响应数据的理论分析基础26-38
• 2.1 非线性动力现象26-30
• 2.1.1 稳定性26-28
• 2.1.2 极限环28
• 2.1.3 混沌28-30
• 2.2 非线性系统的特征和诊断方法30-37
• 2.2.1 相平面法30
• 2.2.2 庞加莱截面法30-33
• 2.2.3 频闪采样法33-34
• 2.2.4 功率谱34-36
• 2.2.5 李雅普诺夫指数36-37
• 2.3 本章小结37-38
• 第三章 气动弹性紧耦合仿真计算与分析38-50
• 3.1 二维气动弹性系统的建立38-42
• 3.2 一类简化模型仿真结果验证42-44
• 3.3 二类简化模型仿真结果与讨论44-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第四章 动态失速下翼型气弹响应实验装置设计50-66
• 4.1 风洞规格50-51
• 4.2 模型设计51-53
• 4.2.1 二元翼型实验方法51
• 4.2.2 阻塞度51-52
• 4.2.3 洞壁边界层干扰52-53
• 4.3 测力系统53-60
• 4.3.1 安装位置与天平选择53-55
• 4.3.2 天平量程与尺寸确定55-58
• 4.3.3 应力分析58-60
• 4.4 气弹模拟系统60-62
• 4.4.1 设计难点60
• 4.4.2 弹力机构60-61
• 4.4.3 弹力解算61-62
• 4.5 振荡驱动系统62-63
• 4.5.1 减缩频率62-63
• 4.5.2 驱动装置63
• 4.6 总体设计方案63-64
• 4.7 本章小结64-66
• 第五章 实验数据分析与对比66-80
• 5.1 实验装置及实验设计66-67
• 5.2 实验装置验证67-70
• 5.2.1 定常实验67
• 5.2.2 刚性非定常实验67-69
• 5.2.3 弹性非定常实验69-70
• 5.3 实验数据与仿真数据对比70-78
• 5.3.1 阻尼项的影响70-71
• 5.3.2 实验数据分析71-78
• 5.4 本章小结78-80
• 第六章 结论与展望80-82
• 6.1 主要工作与创新点80-81
• 6.2 后续研究工作81-82
• 参考文献82-84
• 致谢84-86
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文86

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本文编号：671027