● 摘要
现代直升机广泛采用复合材料薄壁结构桨叶，截面的横向剪切和翘曲变形很显著，这些非经典因素在旋翼动力学和气动弹性力学分析中是不可忽略的；加之复合材料的各向异性使桨叶轴向拉伸、挥舞弯曲、摆振弯曲及扭转变形之间存在很强的耦合，且运动之间的耦合将影响到旋翼的动力学特性、气动弹性稳定性及桨毂振动载荷。因此，迫切需要建立一个能够反映复合材料桨叶这些非经典因素和耦合效应的结构模型，并给出一套分析复合材料弹性耦合桨叶动特性、旋翼气动弹性稳定性、气动弹性响应和桨毂载荷的方法。首先，论文采用有限变形分析的方法推导出同时考虑横向剪切变形和翘曲影响的小应变、中等变形梁应变-位移的非线性关系，构造出一个全新的21自由度梁单元，运用Hamilton原理导出桨叶运动的有限元方程。所建立的结构模型能够同时考虑横向剪切变形、截面面外翘曲变形和复合材料弹性耦合的影响。气动模型采用准定常升力线理论和线性入流模型，气动力处理采用非常灵活、高计算效率的方法。在此基础上，研究了弹性耦合和铺层角对复合材料桨叶固有频率和固有振型的影响，并从等效刚度的角度解释了耦合对固有频率的影响。设计了七种不同构型的复合材料桨叶：基准桨叶(无耦合)，正、负挥舞弯曲-扭转耦合桨叶，正、负摆振弯曲-扭转耦合桨叶和正、负轴向拉压-扭转耦合桨叶。计算结果表明：复合材料弹性耦合对桨叶弯曲固有频率的影响非常小，扭转振动频率有小幅的降低；弹性耦合改变了固有振型的分布，桨叶拉伸、挥舞、摆振和扭转运动之间存在耦合，使一些模态成了耦合模态；铺层角对复合材料桨叶的弯曲基频影响很小，对弯曲高频及扭转频率有着很大的影响；铺层角的变化改变了耦合刚度，运动之间的耦合程度也随之发生了变化。详细地研究了三种弹性耦合对面内柔软复合材料无铰旋翼气动弹性稳定性的影响，并采用时域分析法从非环量力作功的角度探讨出了影响机理。得出的结论为：正的挥-扭耦合、负的摆-扭耦合和正的拉-扭耦合有利于提高旋翼的气动弹性稳定性。最后，进一步研究了弹性耦合对旋翼气动弹性响应和桨毂振动载荷的影响。结果表明：弹性耦合对扭转响应的影响比较大；弹性耦合带来扭转响应的变化影响了翼型攻角在整个桨盘上的分布；弹性耦合的存在对桨根垂直切力的峰峰值有一定影响，正挥-扭耦合、负摆-扭耦合和正拉-扭耦合有利于降低桨毂垂直方向的振动载荷。