1、旋翼系統(tǒng)是直升機結構中最為重要的部件，也是直升機振動與噪聲的主要來源。長期以來旋翼系統(tǒng)的改進和創(chuàng)新是直升機技術發(fā)展的主要方向，成為直升機更新?lián)Q代的重要標志之一。旋翼系統(tǒng)的振動水平某種程序上決定了直升機動力學的設計水平。因此準確預測并通過優(yōu)化設計降低旋翼的結構振動載荷成為直升機動力學研究中非?；钴S的分支。本文開展了基于大變形槳葉模型的旋翼剛柔耦合動力學建模方法研究，發(fā)展了適用于不同槳轂構型的旋翼氣動彈性分析方法與結構載荷計算方法，對模型各
2、部分進行了充分驗證，并將該模型應用于真實直升機旋翼氣動彈性響應計算中，研究了不同氣動模型與不同載荷計算方法對旋翼結構載荷的影響等。
由于傳統(tǒng)鉸接式旋翼中鉸鏈與軸承的結構復雜性與維護成本過高等弊端，一些新構型槳轂陸續(xù)得到重視與應用。無鉸式與無軸承旋翼的揮舞、擺振與扭轉運動可由槳葉柔性段的彈性變形代替。由于柔性件的彈性變形較大，傳統(tǒng)中等變形槳葉模型不再適用，因此本文首先建立了適合于先進構型旋翼槳葉結構分析的幾何精確梁模型。該模型在
3、描述槳葉變形運動量之間的關系時采用了嚴格的幾何非線性表達式，依據Green應變理論推導槳葉應變能，同時考慮了槳葉結構預扭引起的剖面坐標基矢量非正交效應。為了提高模型的適應性，在幾何精確梁模型基礎上，考慮鉸接式旋翼中鉸鏈與軸承的剛性運動，建立了一種新的適用于任意槳葉剛體轉角的旋翼剛柔耦合動力學模型。模型中不作小轉角假設與階次截斷，保留槳葉剛體運動與彈性運動的所有非線性項與剛柔耦合項，采用數值逐級展開的方式得到應變能，并提取動能變分中的質量
4、矩陣與非線性廣義力。將旋翼氣動力以廣義力形式與結構方程耦合，最終依據Hamilton原理建立旋翼動力學方程。
旋翼動力學響應計算與振動載荷預測不僅需要高精度的結構動力學模型，還需要非線性氣動力模型以及與之相適應的氣動彈性分析模型。本文推導了剛柔耦合模型中氣動力虛功的全新形式，將氣動廣義力視為系統(tǒng)非線性廣義力的一部分，從而便于氣動模型依據自身模型要求選擇不同計算步長與求解格式，也有利于動力學方程的數值求解。提出了一種基于結構有限
5、單元劃分，采用二分法加密氣動積分點的策略，從而有效地提高了氣動載荷沿展向積分的精度。旋翼剖面氣動力的計算分別采用準定常氣動模型與非定常氣動模型，槳盤入流分布則分別由線性入流模型與自由尾跡模型得到。此外，本文還采用CFD方法模擬了二維翼型附著流狀態(tài)與動態(tài)失速狀態(tài)時的流場分布，分析了翼型氣動升力、阻力與力矩隨流場的變化規(guī)律，探討了氣流分離對氣動力的影響等。
在建立了旋翼剛柔耦合動力學模型后，由于槳葉離心力的剛化作用以及槳葉剖面之間
6、結構參數的差異較大，得到的動力學方程通常為一組非線性剛性微分方程。為求解這種方程組，本文比較研究了近些年來幾種比較前沿的數值求解算法，包括精細積分法與顯式、隱式歐拉方法。通過對這幾種算法的求解精度與計算穩(wěn)定性的對比，指出了各自的特點與適用范圍。為解決傳統(tǒng)Newton迭代方法計算效率低的問題，引入自適應Newton迭代過程，即僅在收斂速度變慢時更新隱式求解格式中的Jacobian矩陣，兼顧了求解精度與求解效率。同時為加快被積函數沿槳葉展向
7、積分時的收斂速度，開發(fā)了一種基于外推方法的高斯積分算法，總體上改善了動力學方程數值求解的計算效率。
旋翼振動載荷的計算依賴于旋翼動力學方程本身的求解精度。不僅如此，載荷計算方法也對載荷預測精度有重要影響。本文從理論上證明了反力法與力積分法的等價性，并依據二者的特點，提出了一種新的旋翼振動載荷計算混合方法。將槳葉任意位置處（載荷計算點）的結構振動載荷表示為有限元節(jié)點反力與單元內振動載荷疊加的形式，即節(jié)點力由反力法得到，而作用于載