基于流固耦合的直升機旋翼槳葉的強度分析.pdf

1、直升機的旋翼既是升力裝置又是推進和控制裝置，旋翼系統(tǒng)的氣動力環(huán)境比固定翼飛機要復(fù)雜許多，槳葉受重力、升力、離心力和慣性力作用，是各種幾何、結(jié)構(gòu)、氣動和慣性的耦合作用。因此對涉及旋翼槳葉的分析需同時探討其幾何結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境。目前對直升機旋翼槳葉強度的分析方法主要有理論分析、實驗測量和有限元仿真。理論分析需要做出各種簡化處理，對復(fù)雜槳葉模型很難分析；實驗主要有靜強度分析、剖面剛度動態(tài)特性測試與風(fēng)洞試驗；而有限元仿真方面既有關(guān)于槳葉結(jié)構(gòu)分析，

2、也有旋翼流場模擬的研究，但同時涉及流場模擬和槳葉強度分析的研究卻不多。
　　本文利用多重參考系MRF方法將直升機懸停流場瞬態(tài)非定常計算問題簡化為穩(wěn)態(tài)定常計算，建立一套模擬直升機旋翼流場的高效計算算法，得到一個可靠的穩(wěn)態(tài)流場結(jié)果。然后采用流固耦合方法，以ANSYS Workbench為數(shù)據(jù)傳遞平臺，建立旋翼流場和槳葉結(jié)構(gòu)間的耦合關(guān)系，實現(xiàn)單向流固耦合。并以該算法分別詳細分析幾種材料槳葉在旋翼流場氣動載荷作用下的應(yīng)力和變形，進行強度分

3、析，并對比結(jié)果，找出危險區(qū)域。
　　本文首先分析直升機旋翼槳葉的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性，以旋轉(zhuǎn)彈性梁理論建立槳葉的動力學(xué)模型和數(shù)值模型。然后研究了針對可動區(qū)域中的流動問題的解決方法，建立數(shù)值算例對多重參考系方法(MRF方法)和滑移網(wǎng)格方法進行計算分析。以M6機翼模型分析確定在大馬赫數(shù)可壓縮流動中網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、湍流模型和邊界條件的選擇方法。
　　再針對在懸停狀態(tài)下旋翼流場的旋轉(zhuǎn)對稱性，將坐標系建立在槳葉上，利用在旋轉(zhuǎn)坐標系下 MRF方法將

4、問題簡化為定常穩(wěn)態(tài)計算，提高了懸停流場的計算效率。再以Caradonna-Tung模型旋翼槳葉為標準建立了旋翼流場模型，針對亞聲速無升力旋轉(zhuǎn)和有升力懸停兩種飛行狀態(tài)分別建立網(wǎng)格模型，利用 ICEM對流場進行整體網(wǎng)格劃分，獲得了質(zhì)量較好的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。利用壓力入口和壓力出口邊界計算流場，得到了一個穩(wěn)態(tài)流場結(jié)果，與實驗數(shù)據(jù)進行對比，吻合較好。
　　最后研究流固耦合實現(xiàn)方式，分析在耦合交界面上的數(shù)據(jù)傳遞和不匹配網(wǎng)格的插值映射方法，采用守恒插