Нелинейные колебания лопасти несущего винта вертолёта

• Автор: Квак Чжэ Хван
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 108 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ
КОЛЕБАНИЯ ГИБКОЙ ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА
1.1. Постановка задачи. Основные соотношения
1.2. Уравнения пространственного движения гибкой вращающейся
лопасти
1.3. Определение инерционных характеристик эквивалентных твердых
тел для дискретной модели упругой лопасти
1.4. Уравнение нелинейных уравнений движения упругой лопасти для
умеренных и малых углов поворота её поперечных сечений
1.5. Пример расчета нелинейных колебаний балок при кинематическом
воздействии
ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ МАТРИЦ ЖЕСТКОСТИ ОТСЕКОВ
ЛОПАСТИ
2.1. Балочная модель деформирования отсека анизотропной
цилиндрической оболочки
2.1.1. Формулировка задачи. Основные соотношения
2.2. Изгиб-сдвиг в вертикальной плоскости и кручение отсека лопасти
2.3. Матрица жесткости отсека лопасти при изгибе-сдвиге в
вертикальной плоскости и кручении
2.3.1. Пример расчета
2.4. Обыкновенные дифференциальные уравнения изгибно-крутильных
колебаний лопасти с учетом поперечных сдвигов
2.5. Балочная теория изгиба, сдвига и растяжения отсека анизотропной
лопасти в плоскости хорды
ГЛАВА 3. Влияние анизотропии на динамические характеристики
вращающейся лопасти
3.1. Математическая модель для изгибно-крутильных колебаний
лопасти несущего винта вертолёта с учетом вращения
3.2. Применение метода конечных элементов
3.3. Определение аэродинамических нагрузок, действующих на
колеблющуюся лопасть
3.4. Пример расчета собственных колебаний
3.5....Определение границы устойчивости для лопасти в режиме висения
3.6. Расчет тяговых характеристик лопасти
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Вертолёты являются весьма сложными системами «многих тел»; некоторые из этих тел, такие как ротор несущего многолопастного винта, совершают вращательные движения в сложном вихревом потоке с возможными срывами и аэродинамическим взаимодействиями между лопастями. Лопасти несущего винта могут испытывать аэроупругие колебания, как вынужденные типа резонанса под действием периодических нагрузок, так и самовозбуждающие колебания при динамической неустойчивости типа флаттера.
Вследствие высокой гибкости лопастей их колебания могут быть геометрически нелинейными и могут иметь большие амплитуды перемещений и углов поворота, особенно в различных внештатных ситуациях.
В последние годы получают распространение бесшарнирные лопасти из композиционных материалов. При использовании анизотропных материалов возникает упругое взаимодействие между изгибом и кручением лопасти. За счет этого можно управлять динамическим и аэроупругими характеристиками.
Вертолёт представляет много проблем динамики и аэроупругости. Этим проблемам посвящено большое число научных публикаций и разработано много различных математических моделей и методов расчета, наряду с экспериментальными исследованиями.
Здесь отметим только небольшую часть исследований, близких к теме данной диссертации.
- К общим книгам по упругим колебаниям, аэродинамики, аэроупругости и механики конструкций из КМ, которые широко используются при расчетах и проектировании вертолётов относятся [1, 2-6, 22, 26, 27, 29-37].

- Специальные вопросы колебаний и аэроупругости конструкций летательных аппаратов отражены в статьях [13-18, 21, 23, 24] и монографиях [19,20].
- Вопросы динамики и прочности винтов вертолётов с торсионами рассматриваются в работах [8-12, 25, 28].
Колебания и аэроупругость композиционных лопастей рассматриваются в работах [45-47, 50, 51, 53, 54, 57, 58, 60, 64, 65, 71, 72, 74].
- Нелинейным аэроупругим колебаниям посвящены работы [41, 43, 59, 60, 70].
- Динамика связанных систем фюзеляж-ротор рассматриваются в работах [39, 42-44, 53, 66, 67, 73].
- Динамике и аэроупругости бесшаринирных лопастей посвящены работы [40, 48, 49, 52, 56, 63].
- Некоторым вопросам, относящимся к математическим моделям упругих лопастей и численным методам их расчета, посвящены работы [55, 61,62, 69, 73].
Анализ литературы и состояния исследований в области колебаний и аэроупругости несущих винтов показывает, что недостаточно полно исследованы вопросы динамики вращающихся несущих винтов при нестационарных воздействиях (реакциях) со стороны втулки, приводящие к большим упругим деформациям лопастей в специальных внештатных и аварийных ситуациях.
Кроме того представляются перспективными и пока ещё недостаточно изученными вопросы пассивного и активного управления упругими колебаниями в полете и при маневрах бесшарирных лопастей за счет выбора свойств анизотропии композиционного материала, которая приводит к связи изгиба и кручения лопасти и в результате изменяет её динамические и аэроупругие характеристики.
Этим двум вопросам в диссертации уделяется особое внимание.

ЙЛ', дN,. ОЛ/ N
-аТ+^Г*0, ~5Г = °' Д = (2'2)
Считая, что нормальная нагрузка р достаточно мала, при Лг з* оо можно считать
Л^О. (2.3)
При В5 = оо, т.е. на плоских участках контура, условие (2.3) является допущением.
Вместо (2.3) в балочной модели можно использовать допущение нерас-тяжимости контура
в, «О, (2.4)
как в теории тонкостенных балок с недеформируемым поперечным сечением. Далее для упрощения записи будем обозначать: N —> N , N —» 5 , У При условиях (2.3) и (2.4) уравнения (2.1) записываются в виде
N = Вг + Су, (2.5)
5 = Се + />у.

£ = .ВП, С = 2?13, И = Въъ; (2.6)
при использовании допущения (2.4) и
Д - Д ^12 Г — Р ^12-^23 П - Р ^23 Г>
В - Ви , С - Вхъ , и - Вп , (2.7)
"22 "22 "
при условии (2.3).
В случае ортотропной оболочки С = 0.
В случае анизотропной оболочки введем погонное усилие
T = N- — S. (2.8)

Тогда будем иметь:
Т = В*г; В*=В-~. (2.9)