重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法技术

本发明专利技术提供了一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，首先定义直升机机体运动方程和桨叶的运动方程，然后分析旋翼的运动状态量与机体运动状态量的关系，结合机体的加速度量和桨毂加速度的关系，将桨叶的运动状态带入桨叶运动方程并整理，将运动方程分为两部分，将两部分都表示成为显式的矩阵形式；再将旋翼力表示为同样的两部分，将旋翼力转换为机体广义外力，带入机体运动方程；最后得到全机耦合运动方程显式。本发明专利技术基于阻抗匹配法，推导出了显式的直升机飞行动力学刚弹耦合动力学模型，具有同时反映直升机刚体运动和气动弹性问题的优势，能够适应重型直升机结构刚度低的特点，可以用于研究驾驶员和机体结构耦合问题。

【技术实现步骤摘要】
重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法
本专利技术涉及飞行动力学领域，具体是一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法。
技术介绍
直升机驾驶员与机体结构模态间的相互作用可能会导致机体结构模态出现明显振荡现象，尤其随着重型直升机的尺寸大、结构刚度低，导致机体结构频率降低，从而驾驶员和机体结构的耦合振荡现象变得不容忽视。Walden回顾了过去40年来与驾驶员和机体结构模态的耦合振荡有关的案例和解决方案，并指出这些解决方案需要坚实地基于飞行试验进行分析和验证，但在耦合振荡的事故发生后再思考解决方案是滞后的，已经造成了相当大的损失，如果能够在事故发生之前通过大量的飞行仿真进行分析和预测，就能够尽可能避免事故的发生从而避免损失。为了能够精确反映飞行过程中可能发生的驾驶员和机体结构耦合问题，首先需要建立刚弹耦合的直升机飞行动力学仿真模型，不仅能够体现实际飞行过程中的低频刚体运动，如轨迹运动和姿态变化等，还要能够体现机体结构与各子部件之间的气动和惯性耦合关系，如旋翼/机身耦合，此外，刚体运动和弹性变形之间的相互影响关系也应当得到体现。目前，直升机飞行动力学仿真模型往往将机体作为六自由度刚体，研究飞行过程中的稳定性、操纵性和飞行品质。在直升机结构动力学研究领域，往往会忽略直升机的实际运动，基于理想飞行情况对机体和桨叶结构进行高精度弹性建模，研究旋翼和机体的气动弹性耦合问题。在CH-53K直升机的研制过程中，Sahasrabudhe使用基于AB阵的线性方法和松耦合的方式考虑了机体的弹性变形对飞行品质的影响。在固定翼飞机、高超声速飞行器和空间飞行器等研究领域有着在飞行动力学分析中考虑机身弹性变形的先例，这些研究使用的建模方法包括平均轴系法、准坐标系法和瞬态坐标系法。Cribbs在直升机上，使用平均轴系法建立了紧耦合的直升机刚弹耦合模型，并基于主动结构响应控制研究了直升机机体的减振，但Meirovitch质疑Cribbs的模型并不能真实反映柔性机身的变形情况并提出了解决该问题的一个方法，但该方法涉及到的符号运算量太大且无法简化，难以实际使用。现有技术中，直升机的飞行动力学与结构动力学常常是作为相互独立的学科，两个学科都有非常成熟的分析模型，但二者结合的研究却十分稀少。当前的直升机飞行动力学研究中，即使考虑机体结构弹性，大多也是采用松耦合的方式，将机体的刚体运动和弹性变形分离，先通过刚体假设计算出各子部件作用于机身上的载荷，再将载荷作用于机体弹性模型上。即使采用紧耦合方式，直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法也存在争论，并无统一的建模手段且计算效率也较低，难以满足大量飞行仿真的需求。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，基于阻抗匹配法，推导出了显式的直升机飞行动力学刚弹耦合动力学模型，具有同时反映直升机刚体运动和气动弹性问题的优势，能够适应重型直升机结构刚度低的特点，可以用于研究驾驶员和机体结构耦合问题。本专利技术提供了一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，对旋翼和机身耦合气弹分析方法中的显式阻抗匹配法进行拓展，使其适用于弹性桨叶和弹性机体的情况，包括如下过程：1)定义直升机机体运动方程和桨叶的运动方程；2)分析旋翼的运动状态量与机体运动状态量的关系；3)结合机体的加速度量和桨毂加速度的关系，将桨叶的运动状态带入桨叶运动方程并整理，将运动方程分为两部分，第一部分只与旋翼内部运动状态量有关，另一部分与机体运动状态量有关，将两部分都表示成为显式的矩阵形式；4)将旋翼力表示为同样的两部分，将旋翼力转换为机体广义外力，带入机体运动方程，分为与旋翼内部运动状态量和机体运动状态量有关的两部分以及与二者都无关的部分；5)综上，得到全机耦合运动方程显式。所述的对旋翼和机身耦合气弹分析方法中的显式阻抗匹配法进行拓展的具体过程如下：1)记直升机系统中旋翼的加速度量为机体的加速度量为表式如下：其中：和分别是各片桨叶的挥舞角加速度、摆振角加速度和桨叶变形广义坐标的加速度；和分别是机体在体轴系下的平移加速度、转动加速度和机身变形广义坐标的加速度；直升机机体运动方程可以表示为：其中：Mjk(j,k＝V,ω,p)是加速度k对加速度j的耦合质量矩阵；表示角速度的叉乘矩阵，波浪符号代表叉乘矩阵,右下标F表示机体的量，右上标F表示机体轴系下的量；AF0表示从静止轴系到体轴系的坐标转换矩阵，0代表静止轴系，F代表机体轴系；g0表示静止轴系下的重力加速度，右上标0代表静止坐标系下的量；机体的速度二次项Qv,F、广义外力Qe,F和结构内力Qi,F拆分成了平移V、转动ω和弹性变形p三部分；桨叶的运动方程可以表示为：其中：Qc,B表示桨叶受到的约束力；表示在桨叶坐标系下挥舞和摆振铰对桨叶作用的未知集中力，Nβ和Nζ表示挥舞铰和摆振铰的已知铰链弹簧阻尼力矩，是挥舞和摆振角度和角速度的函数，表示桨叶弹性变形在挥舞/摆振铰处的转角位移量形函数；2)旋翼和机体的运动耦合体现在机体受到的广义外力Qe,F中和旋翼的运动状态量中，因为旋翼对机体的作用力与旋翼上每片桨叶当前的运动状态有关，而桨叶的运动状态又与机体的运动状态有关，旋翼的运动状态量与机体运动状态量的关系如下：其中：次标0表示静止坐标系，其它次标的意义分别为：桨毂S、挥舞/摆振铰H和弹性桨叶B组成，对应的坐标系分别是桨毂不旋转轴系S、桨毂旋转轴系H和桨叶坐标系B；下标acc和velo分别表示与加速度有关的部分和不与加速度有关的部分；和分别表示对象k在坐标系j下的速度和角速度，和表示相应的加速度；Ajk表示从坐标系k到坐标系j的坐标转换矩阵；Ω＝[00Ω]T表示旋翼转速，是其叉乘矩阵；表示桨毂不旋转轴系S下从桨毂中心到挥舞/摆振铰的位置矢量；表示由挥舞和摆振角速度引起的桨叶坐标系的角速度，是欧拉角速度矩阵，是欧拉角速度列向量，β表示桨叶挥舞角，上挥为正，ζ表示桨叶摆振角，前摆为正，相应的，表示欧拉角加速度列向量；skew(*)和波浪符号的意义相同，都代表某三维列向量的叉乘矩阵；表示欧拉角速度矩阵的导数；3)结合机体的加速度量和桨毂加速度和的关系：将桨叶的运动状态带入桨叶运动方程并整理就可以将运动方程分为两部分，第一部分只与旋翼内部运动状态量有关，另一部分与机体运动状态量有关，它们都可以表示成为显式的矩阵形式，即：其中：是从旋翼状态未知量之间的耦合阻抗矩阵；是从桨毂运动加速度到旋翼状态未知量的阻抗矩阵；和分别表示各片桨叶的挥舞、摆振和弹性变形方程中与加速度无关的量列矩阵；4)旋翼力和表示为同样的两部分：其中：和分别是与加速度项无关的桨毂载荷；从旋翼力到机体广义外力的转换关系为：再带入机体运动方程同样可以分为与旋翼内部运动状态量和机体运动状态量有关的两部分以及与二者都无关的部分；5)综上，将全机耦合运动方程显式地表示为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，其特征在于：对旋翼和机身耦合气弹分析方法中的显式阻抗匹配法进行拓展，使其适用于弹性桨叶和弹性机体的情况，包括如下过程：/n1)定义直升机机体运动方程和桨叶的运动方程；/n2)分析旋翼的运动状态量与机体运动状态量的关系；/n3)结合机体的加速度量和桨毂加速度的关系，将桨叶的运动状态带入桨叶运动方程并整理，将运动方程分为两部分，第一部分只与旋翼内部运动状态量有关，另一部分与机体运动状态量有关，将两部分都表示成为显式的矩阵形式；/n4)将旋翼力表示为同样的两部分，将旋翼力转换为机体广义外力，带入机体运动方程，分为与旋翼内部运动状态量和机体运动状态量有关的两部分以及与二者都无关的部分；/n5)综上，得到全机耦合运动方程显式。/n

【技术特征摘要】
1.一种重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，其特征在于：对旋翼和机身耦合气弹分析方法中的显式阻抗匹配法进行拓展，使其适用于弹性桨叶和弹性机体的情况，包括如下过程：
1)定义直升机机体运动方程和桨叶的运动方程；
2)分析旋翼的运动状态量与机体运动状态量的关系；
3)结合机体的加速度量和桨毂加速度的关系，将桨叶的运动状态带入桨叶运动方程并整理，将运动方程分为两部分，第一部分只与旋翼内部运动状态量有关，另一部分与机体运动状态量有关，将两部分都表示成为显式的矩阵形式；
4)将旋翼力表示为同样的两部分，将旋翼力转换为机体广义外力，带入机体运动方程，分为与旋翼内部运动状态量和机体运动状态量有关的两部分以及与二者都无关的部分；
5)综上，得到全机耦合运动方程显式。


2.根据权利要求1所述的重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模方法，其特征在于：所述的对旋翼和机身耦合气弹分析方法中的显式阻抗匹配法进行拓展的具体过程如下：
1)记直升机系统中旋翼的加速度量为机体的加速度量为表式如下：






其中：和分别是各片桨叶的挥舞角加速度、摆振角加速度和桨叶变形广义坐标的加速度；和分别是机体在体轴系下的平移加速度、转动加速度和机身变形广义坐标的加速度；
直升机机体运动方程可以表示为：



其中：Mjk(j,k＝V,ω,p)是加速度k对加速度j的耦合质量矩阵；表示角速度的叉乘矩阵，波浪符号代表叉乘矩阵,右下标F表示机体的量，右上标F表示机体轴系下的量；AF0表示从静止轴系到体轴系的坐标转换矩阵，0代表静止轴系，F代表机体轴系；g0表示静止轴系下的重力加速度，右上标0代表静止坐标系下的量；机体的速度二次项Qv,F、广义外力Qe,F和结构内力Qi,F拆分成了平移V、转动ω和弹性变形p三部分；
桨叶的运动方程可以表示为：



其中：Qc,B表示桨叶受到的约束力；表示在桨叶坐标系下挥舞和摆振铰对桨叶作用的未知集中力，Nβ和Nζ表示挥舞铰和摆振铰的已知铰链弹簧阻尼力矩，是挥舞和摆振角度和角速度的函数，表示桨叶弹性变形在挥舞/摆振铰处的转角位移量形函数；

【专利技术属性】
技术研发人员：王洛烽，陈仁良，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32