直升机动力学工程设计
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《直升机动力学工程设计》 – 吴希明
学习记录
动力学工程设计的概述
设计内容
直升机动力学工程设计以研究结构动力学响应为基础，分为：
- 强迫振动响应：机体在旋翼振动载荷和其他动部件作用力下的主要动力学响应；
- 瞬态振动响应：不稳定的气动力造成。可分为机动过载、着陆碰撞和旋翼的剧烈挥舞运动；
- 稳定性设计：考察系统在平衡位置受到扰动的情况下，恢复到平衡位置的能力。
直升机动力学工程设计主要内容：
- 旋翼动力学设计；
- 机体动力学；
- 旋翼及其支撑结构（机体、传动系统和操纵系统）耦合动力学设计；
- 直升机振动控制；
- 振动环境专用技术条件规范研究；
- 振动故障诊断；
- 机弹结构动力相容设计。
评价指标
- 机体振动水平的高低；
一代 0.2~0.4g， 二代 0.15~0.25g， 三代0.1~0.2g，四代0.05~0.1g。
- 噪声的大小；
旋翼动力学设计
研究旋翼运动与气动力、惯性力、弹性力、阻尼力及离心力之间的相互作用。
这一部分设计的好坏，影响：
- 旋翼部件寿命；
- 桨毂中心旋翼振动载荷大小和相位；
- 直升机整机的振动水平。
子课题
- 旋翼动力学特性设计
- 桨叶配置频率设计；
- 旋翼桨叶的振频、振型和模态阻尼的分析预测与测试。
- 旋翼振动载荷分析
- 作用于桨叶上的周期气动载荷引起的气弹耦合谐波载荷及其桨毂载荷的预估；
- 基于试验/试飞实测的分析。
- 旋翼动力稳定性分析
- 自激振动，主要指旋翼的气弹耦合稳定性；
- 经典旋翼颤振、失速颤振、挥舞和摆振耦合稳定性，变距摆振耦合稳定性，桨叶挥舞、摆振和扭转耦合的气弹稳定性等。
设计要点
- 重视旋翼的
调频设计，降低影响疲劳寿命与振动的旋翼谐波载荷，以确保旋翼具有良好的动特性配置； - 对于产生旋翼根部弹性约束刚度、阻尼的零部件，需要通过试验获取相关刚度、阻尼特性参数，作为提供旋翼动力学计算更为准确的输入数据；
- 为使旋翼具有良好的动力学特性，通常可在旋翼结构设计中预留一些无需结构大改就可在后期对旋翼频率进行调整的结构，如预留
桨叶调频配重腔； - 尽可能通过试验识别旋翼一阶摆振模态阻尼，以确保有足够的的稳定性裕度；
- 重视基于旋翼实测载荷频谱分析对旋翼动特性配置好坏的评估；
- 旋翼动力学设计应贯彻到旋翼研制的全过程。
设计目标
- 以成熟机型桨叶的等效应力水平为基准，尽量降低桨叶的交变弯曲应力水平，以提高桨叶的疲劳寿命；
- 通过桨叶频率的合理配置，和桨叶振型的调整，尽量减小旋翼通过桨毂传给机身的桨毂激振力和力矩，以降低直升机的振动水平；
- 确保旋翼在各种使用状态下不发生气弹动不稳定和静发散现象；
- 确保旋翼在各种使用状态下与其他部件（操纵系统、机体、传动系统、发动机及其控制系统）耦合时，不发生动不稳定现象。
设计准则
固有频率设计准则
- 合理配置桨叶的固有频率，使桨叶在正常工作转速、最大自转转速和地面慢车转速范围内的固有频率与气动激振力有一定差值，以避免与气动激振力产生共振或过度振动；
- 一阶摆振频率应兼顾满足防止直升机地面共振的要求；
- 一阶挥舞频率应兼顾满足直升机飞行品质、旋翼重量限制的要求。
气弹稳定性设计准则
应确保旋翼、尾桨有足够的阻尼，以保证在全部设计使用包线、给定的使用寿命和从最小允许转速的0.95倍到最大允许转速的1.05倍范围内，避免产生旋翼的任一种气弹动不稳定、静发散现象，以及旋翼-机身耦合的气弹/机械动不稳定现象。
旋翼动响应设计准则
- 应控制旋翼交变载荷产生的旋翼桨叶动应力水平，使其满足旋翼的疲劳寿命要求；
- 传给机身的旋翼振动载荷，不应对机身产生过大的活有害的激振力。
