一种直升机桨叶结构降阶分析方法、系统、设备及介质技术方案

本发明专利技术公开一种直升机桨叶结构降阶分析方法、系统、设备及介质，涉及结构多尺度分析技术领域，先建立直升机桨叶三维单胞的有限元网格模型，并利用多载荷工况对有限元网格模型进行变形仿真，计算三维单胞的等效属性矩阵。然后建立直升机桨叶的简化模型，将直升机桨叶所受的实际载荷施加在简化模型上，基于有限元仿真计算得到简化模型的各个单元的广义单元应变，基于单元的广义单元应变和等效属性矩阵计算每一单元的广义单元应力，以进一步计算每一单元的应力场。本发明专利技术利用结构降阶技术，能更好地处理截面不连续的桨叶，适用于复合材料、含横向加强等多种形式的桨叶结构。含横向加强等多种形式的桨叶结构。含横向加强等多种形式的桨叶结构。

【技术实现步骤摘要】
一种直升机桨叶结构降阶分析方法、系统、设备及介质


[0001]本专利技术涉及结构多尺度分析
，特别是涉及一种基于三维单胞的直升机桨叶结构降阶分析方法、系统、设备及介质。

技术介绍

[0002]直升机桨叶是直升机旋翼系统的重要组成部分，主要用于提供升力和推进力，桨叶的叶型通常为翼型，其具有在不同飞行状态下均可提供最大升力的优点。桨叶的长度和弯曲变形会对直升机的飞行性能产生影响，长的桨叶可提供更大的升力和更高的旋转速度，弯曲的桨叶可使直升机更加灵活。桨叶通常由铝合金、复合材料或钛合金制成，这些材料具有高强度、轻量化和耐久性的特点。随着制造加工工艺的不断进步，现代直升机桨叶结构呈现出材料构成复杂、内部结构形式复杂的发展趋势，这使得桨叶结构细节的变形响应情况愈发难以准确获得，预测桨叶承受复杂耦合载荷作用下的结构响应也变得愈发困难。桨叶整体的宏观响应（如位移、转角等）直接影响了直升机飞行中的升力和操纵特性，桨叶细节部位的局部变形（如材料交界处的应力、复合材料铺层的应变等）与桨叶的结构寿命、维护保障相关，更精准的仿真预测有助于合理制定维护策略、结构优化设计等工作，提升直升机桨叶的设计、使用效能。
[0003]针对上述典型的桨叶结构多尺度分析问题，降阶方法是一种通过建立低维模型，将结构细节响应与低维结构单胞变形之间的关系信息保留，以起到快速获取低维模型力学响应、进一步分析局部响应作用的方法。对于桨叶这种细长型的结构，可以用一维梁单元来等效桨叶的三维结构单胞。在桨叶结构降阶分析领域，由Hodges等学者开发的变分渐进梁截面分析(VABS)软件是业界广泛使用的分析工具，可以对复合材料的桨叶结构进行降阶，得到等效截面属性，进而通过CAMRAD等软件分析桨叶的气弹等动力学特性。该方法获得了业界的普遍应用，不过该方法主要适用于截面连续无突变的桨叶结构，对于含横向加强（如肋）的或是含空腔的桨叶结构处理起来有一定困难。
[0004]基于此，亟需一种适用于含横向加强（如肋）的或是含空腔的桨叶的结构降阶分析技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种直升机桨叶结构降阶分析方法、系统、设备及介质，可适用于含横向加强（如肋）的或是含空腔的桨叶的结构降阶分析，处理简单、精度高。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种直升机桨叶结构降阶分析方法，所述结构降阶分析方法包括：
[0008]建立直升机桨叶三维单胞的有限元网格模型；所述直升机桨叶由多个所述三维单胞组装得到；
[0009]对于用于三维单胞变形仿真的多载荷工况中的每一载荷工况，基于所述载荷工况的工况载荷列向量计算有限元载荷列向量；以所述有限元载荷列向量为输入，利用含约束
的有限元矩阵表达式计算有限元位移列向量；所述工况载荷列向量包括施加在所述有限元网格模型的第一虚拟节点和第二虚拟节点的载荷；所述有限元载荷列向量包括施加在所述有限元网格模型的各个网格节点、所述第一虚拟节点和所述第二虚拟节点的载荷；所述有限元位移列向量包括所述有限元网格模型的各个网格节点、所述第一虚拟节点和所述第二虚拟节点的位移；
[0010]基于所有所述载荷工况的有限元位移列向量计算所述三维单胞的等效属性矩阵；
[0011]建立所述直升机桨叶的简化模型；将所述直升机桨叶所受的实际载荷施加在所述简化模型上，基于有限元仿真计算得到所述简化模型的各个单元的广义单元应变；对于每一所述单元，基于所述单元的广义单元应变和所述等效属性矩阵计算所述单元的广义单元应力；所述简化模型包括多个节点和位于相邻两个所述节点之间的单元，每一所述单元代表一所述三维单胞；
[0012]对于每一所述单元，基于所述单元的广义单元应力计算所述单元的应力场。
[0013]一种直升机桨叶结构降阶分析系统，所述结构降阶分析系统包括：
[0014]单胞模型构建模块，用于建立直升机桨叶三维单胞的有限元网格模型；所述直升机桨叶由多个所述三维单胞组装得到；
[0015]多工况变形仿真模块，用于对于用于三维单胞变形仿真的多载荷工况中的每一载荷工况，基于所述载荷工况的工况载荷列向量计算有限元载荷列向量；以所述有限元载荷列向量为输入，利用含约束的有限元矩阵表达式计算有限元位移列向量；所述工况载荷列向量包括施加在所述有限元网格模型的第一虚拟节点和第二虚拟节点的载荷；所述有限元载荷列向量包括施加在所述有限元网格模型的各个网格节点、所述第一虚拟节点和所述第二虚拟节点的载荷；所述有限元位移列向量包括所述有限元网格模型的各个网格节点、所述第一虚拟节点和所述第二虚拟节点的位移；
[0016]等效属性矩阵计算模块，用于基于所有所述载荷工况的有限元位移列向量计算所述三维单胞的等效属性矩阵；
[0017]桨叶模型构建模块，用于建立所述直升机桨叶的简化模型；将所述直升机桨叶所受的实际载荷施加在所述简化模型上，基于有限元仿真计算得到所述简化模型的各个单元的广义单元应变；对于每一所述单元，基于所述单元的广义单元应变和所述等效属性矩阵计算所述单元的广义单元应力；所述简化模型包括多个节点和位于相邻两个所述节点之间的单元，每一所述单元代表一所述三维单胞；
[0018]应力场计算模块，用于对于每一所述单元，基于所述单元的广义单元应力计算所述单元的应力场。
[0019]一种直升机桨叶结构降阶分析设备，包括：
[0020]处理器；以及
[0021]存储器，其中存储计算机可读程序指令，
[0022]其中，在所述计算机可读程序指令被所述处理器运行时执行上述的直升机桨叶结构降阶分析方法。
[0023]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述直升机桨叶结构降阶分析方法的步骤。
[0024]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0025]本专利技术用于提供一种直升机桨叶结构降阶分析方法、系统、设备及介质，先建立直升机桨叶三维单胞的有限元网格模型，并利用多载荷工况对三维单胞的有限元网格模型进行变形仿真，计算每一载荷工况的有限元位移列向量，以进一步计算三维单胞的等效属性矩阵。然后建立直升机桨叶的简化模型，将直升机桨叶所受的实际载荷施加在简化模型上，基于有限元仿真计算得到简化模型的各个单元的广义单元应变，基于单元的广义单元应变和等效属性矩阵计算每一单元的广义单元应力，以进一步计算每一单元的应力场。本专利技术利用结构降阶技术，通过分析桨叶的一小段三维单胞，建立高效的低自由度降阶模型，同时保持了结构细节与降阶模型之间的变形映射关系，很好地解决了桨叶这种承受分布法向载荷作用的结构在发生变形时整体结构响应高效仿真和结构细节应力便捷求解的问题，能更好地处理截面不连续的桨叶，适用于复合材料、含横向加强等多种形式的桨叶结构。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直升机桨叶结构降阶分析方法，其特征在于，所述结构降阶分析方法包括：建立直升机桨叶三维单胞的有限元网格模型；所述直升机桨叶由多个所述三维单胞组装得到；对于用于三维单胞变形仿真的多载荷工况中的每一载荷工况，基于所述载荷工况的工况载荷列向量计算有限元载荷列向量；以所述有限元载荷列向量为输入，利用含约束的有限元矩阵表达式计算有限元位移列向量；所述工况载荷列向量包括施加在所述有限元网格模型的第一虚拟节点和第二虚拟节点的载荷；所述有限元载荷列向量包括施加在所述有限元网格模型的各个网格节点、所述第一虚拟节点和所述第二虚拟节点的载荷；所述有限元位移列向量包括所述有限元网格模型的各个网格节点、所述第一虚拟节点和所述第二虚拟节点的位移；基于所有所述载荷工况的有限元位移列向量计算所述三维单胞的等效属性矩阵；建立所述直升机桨叶的简化模型；将所述直升机桨叶所受的实际载荷施加在所述简化模型上，基于有限元仿真计算得到所述简化模型的各个单元的广义单元应变；对于每一所述单元，基于所述单元的广义单元应变和所述等效属性矩阵计算所述单元的广义单元应力；所述简化模型包括多个节点和位于相邻两个所述节点之间的单元，每一所述单元代表一所述三维单胞；对于每一所述单元，基于所述单元的广义单元应力计算所述单元的应力场。2.根据权利要求1所述的直升机桨叶结构降阶分析方法，其特征在于，所述载荷工况包括基础工况和由所述基础工况组合得到的组合工况；所述基础工况包括拉伸、弯曲、扭转和剪切；所有所述载荷工况的工况载荷列向量组成的载荷矩阵为：；所述载荷矩阵的第t列即为第t个载荷工况的工况载荷列向量。3.根据权利要求1所述的直升机桨叶结构降阶分析方法，其特征在于，所述有限元载荷列向量的计算公式包括：当时，；其中，t代表第t个载荷工况；为施加在有限元网格模型前端面的第i个网格节点的j方向上的载荷；i=1，2，...，G
+
，G
+
为端面的网格节点的数量；j=x，y，z；为施加在有限元网格模型后端面的第i个网格节点的j方向上的载荷；当时，；
；其中，为第4个载荷工况下，有限元网格模型前端面的第i个网格节点的j方向上的等效节点力；为第一载荷修正系数；为第3个载荷工况下，有限元网格模型前端面的第i个网格节点的j方向上的等效节点力；为第二载荷修正系数；为第t个载荷工况的工况载荷列向量中第2行的元素值；为第t个载荷工况的工况载荷列向量中第3行的元素值；为第4个载荷工况下，有限元网格模型后端面的第i个网格节点的j方向上的等效节点力；为第3个载荷工况下，有限元网格模型后端面的第i个网格节点的j方向上的等效节点力。4.根据权利要求1所述的直升机桨叶结构降阶分析方法，其特征在于，所述含约束的有限元矩阵表达式为：；其中，为三维单胞的增广后有限元刚度矩阵；为罚函数因子；为对约束方程的系数矩阵进行数值积分所得到的计算矩阵；为有限元位移列向量；为有限元载荷列向量；为根据约束方程的非齐次项得到的修正载荷列向量；所述约束方程为：；；；其中，为有限元网格模型前端面的第i个网格节点在x方向的位移自由度；为有限元网格模型后端面的第i个网格节点在x方向的位移自由度；为有限元网格模型的第一虚拟节点在x方向的位移自由度；为第i个网格节点的y坐标；为参考轴线的y坐标；为有限元网格模型的第二虚拟节点在z方向的位移自由度；为第i个网格节点的z坐标；为参考轴线的z坐标；为有限元网格模型的第二虚拟节点在y方向的位移自由度；为有限元网格模型的第i个第三虚拟节点在x方向的位移自由度；为有限元网格模型前端面的第i个网格节点在y方向的位移自由度；为有限元网格模型后端面的第i个网格节点在y方向的位移自由度；为有限元网格模型的第一虚拟节点在y方向的位移自由度；为有限元网格模型的第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：董雷霆，卢志远，黄业增，李明净，李书，贺天鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：