關(guān)于無軸承旋翼直升機氣動機械穩(wěn)定性分析

張洋 崔旭東 吳東風(fēng)

摘要：無軸承旋翼在直升飛機中的應(yīng)用較為廣泛，在開展這類直升機的設(shè)計時，設(shè)計人員需要進行氣動機械穩(wěn)定性的分析，保障直升機結(jié)構(gòu)的強度。基于此，本文將氣動機械穩(wěn)定性分析作為研究對象，以滑橇式起落架結(jié)構(gòu)為例，構(gòu)建了旋翼模型，以此開展模態(tài)偶合分析，實現(xiàn)氣動機械穩(wěn)定性的分析。

關(guān)鍵詞：直升機;氣動機械穩(wěn)定性;有限元

前言

無軸承旋翼直升機具有結(jié)構(gòu)強度大、自身重量輕及韌性高等優(yōu)勢，在直升機領(lǐng)域具有良好的發(fā)展趨勢。上述優(yōu)勢主要是因為這類直升機采用了柔性梁，使其彈韌性更高，有助于直升機槳葉運動特性的改進。但是由于無軸承旋翼直升機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)生的機械振動形式相對復(fù)雜，不可以采用傳統(tǒng)方法進行穩(wěn)定性分析。

一、無軸承旋翼直升機氣動機械穩(wěn)定性分析模型的構(gòu)建

一般來說，對無軸承旋翼直升機氣動穩(wěn)定性的分析主要涵蓋機體、旋翼結(jié)構(gòu)這兩個方面。因此，本文設(shè)計的分析模型包括機體分析模型以及旋翼結(jié)構(gòu)分析模型這兩種。對于機體分析模型來說，需要將直升機的機體設(shè)定為剛體，并排除其他因素的影響，僅分析起落架機體運動對槳葉產(chǎn)生的約束，確保約束剛度和阻尼屬于線性狀態(tài)。一般來說，直升機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象，進行機體分析模型的構(gòu)建。分析模型主要涵蓋機體質(zhì)心部位的六個剛體運動自由度，分別計算機體的振動特征。以模態(tài)參數(shù)為例，技術(shù)人員可以將機體振動模態(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，技術(shù)人員還可以根據(jù)槳葉中心振動特征試驗?zāi)Ｐ停M行氣動機械穩(wěn)定性平面動力學(xué)模型的構(gòu)建，用于機體結(jié)構(gòu)的分析。

對于旋翼結(jié)構(gòu)分析模型來說，技術(shù)人員需要全面分析槳葉揮舞、槳葉扭轉(zhuǎn)以及槳葉擺振等運動狀態(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行準(zhǔn)確模擬。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員需要通過有限元方法，進行旋翼槳葉動力學(xué)模型的構(gòu)建。通常情況下，技術(shù)人員會將模型坐標(biāo)系的原點設(shè)定為槳轂中心，并根據(jù)旋翼軸沿著機體軸的轉(zhuǎn)角，明確旋翼軸的坐標(biāo)及具體方向?；谟邢拊椒?，無軸承旋翼直升機的旋翼結(jié)構(gòu)可以被模擬為有限梁單元、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。在具體的計算過程中，技術(shù)人員需要在槳葉節(jié)點中選取六個自由度進行分析，并利用有限元方法將槳葉離散為n個梁單元，提升分析模型的分析準(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)用于直升機氣動機械穩(wěn)定性分析的全過程中。

二、無軸承旋翼直升機氣動機械穩(wěn)定性分析模型的應(yīng)用

（一）振動狀態(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)人員需要對振動狀態(tài)下的槳葉穩(wěn)定性進行分析，結(jié)合仿真模擬實驗，明確槳葉的振動特征對氣動機械穩(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)以及槳葉擺振等運動狀態(tài)下，其振動特征的影響。在模態(tài)耦合的分析結(jié)果顯示中，如果槳葉的振動模態(tài)為前擺，則表明槳葉的扭矩有所增加，其揮舞動作會隨著扭矩的變化而變化;如果槳葉的振動模態(tài)為揮舞，則表明槳葉的扭矩有所增加，其擺振效果會不斷增加。上述兩種動力學(xué)耦合關(guān)系均會對槳葉的正常振動產(chǎn)生不利影響，從而提升槳葉的運動阻尼，降低氣動機械穩(wěn)定性。

另外，在無軸承旋翼直升機中，耦合振動模態(tài)還會受到軸套以及變距控制系統(tǒng)剛度的影響。因此，在進行無軸承旋翼直升機的設(shè)計時，設(shè)計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，實現(xiàn)耦合振動模態(tài)的優(yōu)化，降低槳葉的運動阻尼，從而提升氣動機械穩(wěn)定性。

（二）空中振動狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析

對于無軸承旋翼直升機而言，其空中振動狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析是最為重要的內(nèi)容之一。通過上述分析可知，直升機出現(xiàn)的槳葉揮舞、槳葉扭轉(zhuǎn)以及槳葉擺振等運動狀態(tài)會對氣動機械穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。在空中振動狀態(tài)下，如果直升機槳葉的振動耦合模態(tài)呈現(xiàn)出揮舞后退結(jié)果，就表明氣動力對直升機氣動機械穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的阻尼，導(dǎo)致直升機進入高阻尼模態(tài)。一旦直升機進入高阻尼模態(tài)，將會大大降低其機械控制能力，從而降低其氣動機械穩(wěn)定性。針對這一問題，設(shè)計人員需要在無軸承旋翼直升機中安裝減擺器，降低氣動力產(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，有助于氣動機械穩(wěn)定性的提升。

（三）地面共振狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析

在進行無軸承旋翼直升機的氣動機械穩(wěn)定性分析時，不僅需要進行空中振動狀態(tài)的分析，還需要對地面共振狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行分析?；谏鲜龇治瞿Ｐ?，地面共振狀態(tài)下的氣動機械穩(wěn)定性會受到阻尼器剛度以及機體模態(tài)阻尼這兩項因素的影響。和機體的模態(tài)阻尼相比，阻尼器剛度對氣動機械穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響可以忽略不計。因此，本文主要分析機體模態(tài)阻尼產(chǎn)生的影響。一般來說，機體模態(tài)阻尼系統(tǒng)越大，就表明槳葉的振動越穩(wěn)定。在無軸承旋翼直升機設(shè)計過程中，設(shè)計人員可以通過提升機體模態(tài)阻尼的方式，避免直升機槳葉出現(xiàn)耦合異常振動狀況，從而提升直升機的氣動機械穩(wěn)定性[2]。

結(jié)論

綜上所述，無軸承旋翼直升機的結(jié)構(gòu)較為特殊，需要采用不同的氣動機械穩(wěn)定性分析方法。通過本文分析可知，技術(shù)人員可以根據(jù)無軸承旋翼直升機的結(jié)構(gòu)特征，進行相應(yīng)分析模型的構(gòu)建，并對直升機振動狀態(tài)下的槳葉穩(wěn)定性、空中振動及地面共振狀況下的穩(wěn)定性進行分析，進一步完善直升機的結(jié)構(gòu)，促進其可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1]謝強，黨維，李亮明.直升機機動穩(wěn)定性試飛方法[J].工程與試驗，2018，58（01）：43-45+65.

[2]喬繼周. 共軸雙旋翼直升機地面共振不穩(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）