基于流固耦合的直升機(jī)旋翼槳葉的強(qiáng)度分析.pdf

1、直升機(jī)的旋翼既是升力裝置又是推進(jìn)和控制裝置，旋翼系統(tǒng)的氣動(dòng)力環(huán)境比固定翼飛機(jī)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(dòng)和慣性的耦合作用。因此對(duì)涉及旋翼槳葉的分析需同時(shí)探討其幾何結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境。目前對(duì)直升機(jī)旋翼槳葉強(qiáng)度的分析方法主要有理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元仿真。理論分析需要做出各種簡化處理，對(duì)復(fù)雜槳葉模型很難分析；實(shí)驗(yàn)主要有靜強(qiáng)度分析、剖面剛度動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與風(fēng)洞試驗(yàn)；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(shí)涉及流場模擬和槳葉強(qiáng)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(jī)懸停流場瞬態(tài)非定常計(jì)算問題簡化為穩(wěn)態(tài)定常計(jì)算，建立一套模擬直升機(jī)旋翼流場的高效計(jì)算算法，得到一個(gè)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(tái)，建立旋翼流場和槳葉結(jié)構(gòu)間的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)單向流固耦合。并以該算法分別詳細(xì)分析幾種材料槳葉在旋翼流場氣動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力和變形，進(jìn)行強(qiáng)度分

3、析，并對(duì)比結(jié)果，找出危險(xiǎn)區(qū)域。
　　本文首先分析直升機(jī)旋翼槳葉的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，以旋轉(zhuǎn)彈性梁理論建立槳葉的動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)值模型。然后研究了針對(duì)可動(dòng)區(qū)域中的流動(dòng)問題的解決方法，建立數(shù)值算例對(duì)多重參考系方法(MRF方法)和滑移網(wǎng)格方法進(jìn)行計(jì)算分析。以M6機(jī)翼模型分析確定在大馬赫數(shù)可壓縮流動(dòng)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(duì)在懸停狀態(tài)下旋翼流場的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，將坐標(biāo)系建立在槳葉上，利用在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 MRF方法將

4、問題簡化為定常穩(wěn)態(tài)計(jì)算，提高了懸停流場的計(jì)算效率。再以Caradonna-Tung模型旋翼槳葉為標(biāo)準(zhǔn)建立了旋翼流場模型，針對(duì)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(duì)流場進(jìn)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(jì)算流場，得到了一個(gè)穩(wěn)態(tài)流場結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，吻合較好。
　　最后研究流固耦合實(shí)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