关于无轴承旋翼直升机气动机械稳定性分析

张洋 崔旭东 吴东风

摘要：无轴承旋翼在直升飞机中的应用较为广泛，在开展这类直升机的设计时，设计人员需要进行气动机械稳定性的分析，保障直升机结构的强度。基于此，本文将气动机械稳定性分析作为研究对象，以滑橇式起落架结构为例，构建了旋翼模型，以此开展模态偶合分析，实现气动机械稳定性的分析。

关键词：直升机;气动机械稳定性;有限元

前言

无轴承旋翼直升机具有结构强度大、自身重量轻及韧性高等优势，在直升机领域具有良好的发展趋势。上述优势主要是因为这类直升机采用了柔性梁，使其弹韧性更高，有助于直升机桨叶运动特性的改进。但是由于无轴承旋翼直升机的柔性梁大都具备较高的柔性系数，所以在受力状况下，产生的机械振动形式相对复杂，不可以采用传统方法进行稳定性分析。

一、无轴承旋翼直升机气动机械稳定性分析模型的构建

一般来说，对无轴承旋翼直升机气动稳定性的分析主要涵盖机体、旋翼结构这两个方面。因此，本文设计的分析模型包括机体分析模型以及旋翼结构分析模型这两种。对于机体分析模型来说，需要将直升机的机体设定为刚体，并排除其他因素的影响，仅分析起落架机体运动对桨叶产生的约束，确保约束刚度和阻尼属于线性状态。一般来说，直升机的起落架包括滑橇式以及缓冲器式等多种类型，本文主要选择滑橇式起落架作为研究对象，进行机体分析模型的构建。分析模型主要涵盖机体质心部位的六个刚体运动自由度，分别计算机体的振动特征。以模态参数为例，技术人员可以将机体振动模态参数看做是桨叶中心部位的有效量，如有效质量、有效刚度以及有效阻尼，完成分析模型数据的准确采集。与此同时，技术人员还可以根据桨叶中心振动特征试验模型，进行气动机械稳定性平面动力学模型的构建，用于机体结构的分析。

对于旋翼结构分析模型来说，技术人员需要全面分析桨叶挥舞、桨叶扭转以及桨叶摆振等运动状态，确保桨叶和桨毂、减摆器和桨毂以及减摆器和操纵线系间的连接可以进行准确模拟。在此基础上，技术人员需要通过有限元方法，进行旋翼桨叶动力学模型的构建。通常情况下，技术人员会将模型坐标系的原点设定为桨毂中心，并根据旋翼轴沿着机体轴的转角，明确旋翼轴的坐标及具体方向。基于有限元方法，无轴承旋翼直升机的旋翼结构可以被模拟为有限梁单元、有限杆单元以及阻尼单元等部分，参照协调关系以及桨叶的传力路线，明确各个有限单元的位移，为分析模型提供相应的数据参照。在具体的计算过程中，技术人员需要在桨叶节点中选取六个自由度进行分析，并利用有限元方法将桨叶离散为n个梁单元，提升分析模型的分析准确性[1]。在分析模型构建完成后，技术人员需要将其应用于直升机气动机械稳定性分析的全过程中。

二、无轴承旋翼直升机气动机械稳定性分析模型的应用

（一）振动状态下的桨叶稳定性分析

在分析模型构建完成后，技术人员需要对振动状态下的桨叶稳定性进行分析，结合仿真模拟实验，明确桨叶的振动特征对气动机械稳定性产生的影响。具体而言，主要分析桨叶挥舞、桨叶扭转以及桨叶摆振等运动状态下，其振动特征的影响。在模态耦合的分析结果显示中，如果桨叶的振动模态为前摆，则表明桨叶的扭矩有所增加，其挥舞动作会随着扭矩的变化而变化;如果桨叶的振动模态为挥舞，则表明桨叶的扭矩有所增加，其摆振效果会不断增加。上述两种动力学耦合关系均会对桨叶的正常振动产生不利影响，从而提升桨叶的运动阻尼，降低气动机械稳定性。

另外，在无轴承旋翼直升机中，耦合振动模态还会受到轴套以及变距控制系统刚度的影响。因此，在进行无轴承旋翼直升机的设计时，设计人员需要合理控制轴套的布局及变距控制系统刚度的定值，实现耦合振動模态的优化，降低桨叶的运动阻尼，从而提升气动机械稳定性。

（二）空中振动状态下的稳定性分析

对于无轴承旋翼直升机而言，其空中振动状态下的稳定性分析是最为重要的内容之一。通过上述分析可知，直升机出现的桨叶挥舞、桨叶扭转以及桨叶摆振等运动状态会对气动机械稳定性产生较大的影响。在空中振动状态下，如果直升机桨叶的振动耦合模态呈现出挥舞后退结果，就表明气动力对直升机气动机械稳定性产生较大的阻尼，导致直升机进入高阻尼模态。一旦直升机进入高阻尼模态，将会大大降低其机械控制能力，从而降低其气动机械稳定性。针对这一问题，设计人员需要在无轴承旋翼直升机中安装减摆器，降低气动力产生的阻尼作用，从而避免桨叶在不稳定状态下出现较大的耦合振动，有助于气动机械稳定性的提升。

（三）地面共振状态下的稳定性分析

在进行无轴承旋翼直升机的气动机械稳定性分析时，不仅需要进行空中振动状态的分析，还需要对地面共振状态下的稳定性进行分析。基于上述分析模型，地面共振状态下的气动机械稳定性会受到阻尼器刚度以及机体模态阻尼这两项因素的影响。和机体的模态阻尼相比，阻尼器刚度对气动机械稳定性产生的影响可以忽略不计。因此，本文主要分析机体模态阻尼产生的影响。一般来说，机体模态阻尼系统越大，就表明桨叶的振动越稳定。在无轴承旋翼直升机设计过程中，设计人员可以通过提升机体模态阻尼的方式，避免直升机桨叶出现耦合异常振动状况，从而提升直升机的气动机械稳定性[2]。

结论

综上所述，无轴承旋翼直升机的结构较为特殊，需要采用不同的气动机械稳定性分析方法。通过本文分析可知，技术人员可以根据无轴承旋翼直升机的结构特征，进行相应分析模型的构建，并对直升机振动状态下的桨叶稳定性、空中振动及地面共振状况下的稳定性进行分析，进一步完善直升机的结构，促进其可持续发展。

参考文献

[1]谢强，党维，李亮明.直升机机动稳定性试飞方法[J].工程与试验，2018，58（01）：43-45+65.

[2]乔继周. 共轴双旋翼直升机地面共振不稳定性抑制研究[D].南京航空航天大学，2017.

（作者单位：32145部队）