直升機旋翼動平衡試驗臺動力學建模與仿真分析

直升機旋翼動平衡試驗臺動力學建模與仿真分析

1帶明顯傾斜保護的加標試驗公車滑動平衡試驗臺是我國廣泛使用的公車滑動測試設備。本實用機械的動態(tài)平衡試驗臺主要用于研究鑒于傾斜的動力、動態(tài)和航空力學，并通過實驗測試確保旋轉(zhuǎn)組的動態(tài)平衡，以確保螺旋的可靠性，并為旋轉(zhuǎn)理論的研究提供實驗和驗證手段。共軸雙旋翼試驗臺是為某系列型號共軸雙旋翼槳葉試驗而研制,如圖1所示.從俯視角度,上旋翼和上自動傾斜器是順時針轉(zhuǎn),下旋翼和下自動傾斜器是逆時針轉(zhuǎn),上下自動傾斜器通過其中的旋轉(zhuǎn)環(huán)上的4根均勻分布的連桿相連,以同步改變旋翼姿態(tài).該旋翼系統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)節(jié)要靠下自動傾斜器的不動環(huán)和與之連接的3個作動器調(diào)節(jié).其中液壓伺服控制系統(tǒng)通過對3個通道的位置控制,協(xié)調(diào)操縱3個液壓作動器完成共軸雙懸翼槳葉的總距、俯仰、滾轉(zhuǎn)操縱和舵機激振.1總距離操縱操縱作動器1、作動器2和作動器3同步運動,通過下自動傾斜器的升降改變槳葉總距,實現(xiàn)槳葉的總距控制;2c傾斜通過操縱作動器3改變下自動傾斜器的俯仰角來改變槳葉的俯仰角,實現(xiàn)槳葉的俯仰操縱;3旋轉(zhuǎn)操作過程通過協(xié)調(diào)操縱作動器1和作動器2的反向運動改變下自動傾斜器的滾轉(zhuǎn)角改變槳葉的滾轉(zhuǎn)角,實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)操縱;4系統(tǒng)激勵通過協(xié)調(diào)3個作動器的同步運動來實現(xiàn)對旋翼的激振.在分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和受力情況下對液壓伺服控制系統(tǒng)進行動力學建模.2空氣動力學建模操縱系統(tǒng)的外載荷來自槳葉的鉸鏈力矩和對傾斜器的操縱力矩,槳葉鉸鏈力矩通過變距拉桿力作用于自動傾斜器,形成液壓位置伺服系統(tǒng)的負載力.通過空氣動力學原理對槳葉鉸鏈力矩和由其產(chǎn)生的變距拉桿力進行計算,通過對自動傾斜器進行受力分析,將作用于液壓作動器的操縱負載力和由槳葉鉸鏈力矩產(chǎn)生的變矩拉桿力聯(lián)系起來,從而得到系統(tǒng)的力學模型.2.1槳葉帶中主程序中的應力作用在槳葉上的鉸鏈力矩包括氣動力矩、慣性力矩等.一般在系統(tǒng)設計時忽略鉸鏈力矩的高次諧波分量,僅考慮一次諧波,可寫成Mj=M(θ0)+M(θc)sinψ+M(θs)cosψ(1)Μj=Μ(θ0)+Μ(θc)sinψ+Μ(θs)cosψ(1)式中,Mj為槳葉鉸鏈力矩,N·m;M(θ0)為總距操縱形成的力矩,θ0為旋翼總距角;M(θc)為橫向操縱形成的力矩,θc為旋翼滾轉(zhuǎn)角;M(θs)為縱向操縱形成的力矩,θs為旋翼俯仰角;ψ為方位角.2.2槳盤周期變距操縱載荷槳葉鉸鏈力矩產(chǎn)生的拉桿載荷為P=Mj/lY(2)Ρ=Μj/lY(2)式中,lY為拉桿軸線至軸向鉸中心線距離.代入式(1)有P=M(θ0)lY+M(θc)lYsinψ+M(θs)lYcosψ=P(θ0)+P(θc)sinψ+P(θs)cosψ(3)Ρ=Μ(θ0)lY+Μ(θc)lYsinψ+Μ(θs)lYcosψ=Ρ(θ0)+Ρ(θc)sinψ+Ρ(θs)cosψ(3)式中,P(θ0)為總距操縱形成的變距拉桿載荷;P(θc)為橫向操縱形成的變距拉桿載荷;P(θs)為縱向操縱形成的變距拉桿載荷.圖2為操縱系統(tǒng)受力示意圖.由于共軸雙旋翼上、下旋翼的轉(zhuǎn)動方向相反,在進行周期變距操縱時,槳盤周期揮舞的最大值比周期變距操縱的最大值在相位上滯后90°.根據(jù)這一特點,分別計算4個變距拉桿的載荷,槳葉所在位置為ψ.當下旋翼的第1片槳葉的方位角為ψ時,則下旋翼的第2片槳葉的方位角為ψ+π,上旋翼的第1片槳葉的方位角為-ψ,上旋翼的第2片槳葉的方位角為-ψ+π,P1,P2,P3,P4的方位角分別為-ψ-π/2,-ψ+π/2,ψ+π/2,ψ-π/2,下面是其方位角及受力情況.P1=P(θ0)+P(θc)sin(?ψ?π2)+P(θs)cos(?ψ?π2)=P(θ0)?P(θc)cosψ?P(θs)sinψP2=P(θ0)+P(θc)sin(?ψ+π2)+P(θs)cos(?ψ+π2)=P(θ0)+P(θc)cosψ+P(θs)sinψP3=P(θ0)+P(θc)sin(ψ+π2)+P(θs)cos(ψ+π2)=P(θ0)+P(θc)cosψ?P(θs)sinψP4=P(θ0)+P(θc)sin(ψ?π2)+P(θs)cos(ψ?π2)=P(θ0)?P(θc)cosψ+P(θs)sinψ?????????????????????????????????????????????????????????????????(4)Ρ1=Ρ(θ0)+Ρ(θc)sin(-ψ-π2)+Ρ(θs)cos(-ψ-π2)=Ρ(θ0)-Ρ(θc)cosψ-Ρ(θs)sinψΡ2=Ρ(θ0)+Ρ(θc)sin(-ψ+π2)+Ρ(θs)cos(-ψ+π2)=Ρ(θ0)+Ρ(θc)cosψ+Ρ(θs)sinψΡ3=Ρ(θ0)+Ρ(θc)sin(ψ+π2)+Ρ(θs)cos(ψ+π2)=Ρ(θ0)+Ρ(θc)cosψ-Ρ(θs)sinψΡ4=Ρ(θ0)+Ρ(θc)sin(ψ-π2)+Ρ(θs)cos(ψ-π2)=Ρ(θ0)-Ρ(θc)cosψ+Ρ(θs)sinψ}(4)2.3氣動促進劑n,nf,nf,nf,nf0,0,0,0,0,0,0,0,0,0.3,5.2,5.20.3,5.20.3,5.40.3.4,0.5.6.5.6.5.6.5.6.6.4;nf0,0.5.6.3.4,0.9.5.6.6.6.6.6.6.6.6.6.3.40.9.5.6.6.6.6.6.6.6.6.3.40.9.5.6.6.6.6.6.6.3.40.9.5.6.6.6.6.9.9.9.9槳葉鉸鏈力矩M(θ0)、M(θc)、M(θs)應包括氣動力部分和槳葉慣性部分.氣動鉸鏈力矩是空氣動力作用于槳葉,在槳葉軸向鉸上形成的力矩.旋翼在轉(zhuǎn)動過程中其壓力中心在軸向鉸軸線附近,系統(tǒng)中粗略估計為弦長的3%,載荷參數(shù)初步取3.5,旋翼產(chǎn)生的最大總拉力為F(θ0)=1500kg,4片槳葉均分,θ0=15°=0.262rad,F(θ0)與θ0成正比,可得F(θ0)=4kFθ0F(θ0)=4kFθ0式中,kF為單槳葉的氣動力系數(shù).從而可得單槳葉氣動鉸鏈力矩:MQ(θ0)=kYkFθ0ΜQ(θ0)=kYkFθ0式中,kY為單槳葉的氣動力矩系數(shù).則變距拉桿力為P(θ0)=MQ(θ0)+MJ(θ0)lY=kYkFθ0+JBθ??0lYP(θc)=MQ(θc)+MJ(θc)lY=kYkFθc+JBθ??clYP(θs)=MQ(θs)+MJ(θs)lY=kYkFθs+JBθ??slY???????????????(5)Ρ(θ0)=ΜQ(θ0)+ΜJ(θ0)lY=kYkFθ0+JBθ??0lYΡ(θc)=ΜQ(θc)+ΜJ(θc)lY=kYkFθc+JBθ??clYΡ(θs)=ΜQ(θs)+ΜJ(θs)lY=kYkFθs+JBθ??slY}(5)式中,MQ(θi)(i=0,c,s)為槳葉氣動鉸鏈力矩交變項;MJ(θi)(i=0,c,s)為槳葉慣性產(chǎn)生的鉸鏈力矩;JB為槳葉轉(zhuǎn)動慣量.2.4傾斜器結(jié)構(gòu)表征為得出操縱力與其所產(chǎn)生的鉸鏈力矩的關系,需對自動傾斜器進行受力分析.如圖2所示,對上下傾斜器看作整體進行受力分析,x軸過傾斜器縱向操縱節(jié)點3號作動器,z軸過傾斜器縱向操縱節(jié)點2號作動器.3個液壓作動器的的操縱力為F1,F2,F3,作用點到傾斜器圓心的距離為RT.4個變距拉桿的垂向分力為P1,P2,P3,P4,作用點到傾斜器圓心的距離為RL.力取各軸正向為正,力矩方向按右手定則確定.自動傾斜器有3個自由度,列方程有∑Mx=F1RT?F2RT+(P1?P2?P3+P4)RLcosψcosαs=JQα??s∑Mz=F3RT+(P1?P2+P3?P4)?RLsinψcosαc=JQα??c∑My=F1+F2+F3?P1?P2?P3?P4?mg=mh??mg=G1+G2???????????????????????????????????(6)∑Μx=F1RΤ-F2RΤ+(Ρ1-Ρ2-Ρ3+Ρ4)RLcosψcosαs=JQα??s∑Μz=F3RΤ+(Ρ1-Ρ2+Ρ3-Ρ4)?RLsinψcosαc=JQα??c∑Μy=F1+F2+F3-Ρ1-Ρ2-Ρ3-Ρ4-mg=mh??mg=G1+G2}(6)式中,αs為傾斜器縱向傾角;αc為傾斜器橫向傾角;JQ為傾斜器轉(zhuǎn)動慣量;m為兩傾斜器的質(zhì)量;h為傾斜器的上下位移.將式(4)、式(5)代入式(6)并化簡,有∑Mx=F1RT?F2RT?2(kYkFθc+JBθ??clY)?RL(1+cos2ψ)cos(kθθc)=JQkθθ??c∑Mz=F3RT?2(kYkFθs+JBθ??slY)?RL(1+cos2ψ)cos(kθθs)=JQkθθ??s∑My=F1+F2+F3?4(kYkFθ0+JBθ??0lY)?mg=mkhθ??0???????????????????????????????????????????(7)∑Μx=F1RΤ-F2RΤ-2(kYkFθc+JBθ??clY)?RL(1+cos2ψ)cos(kθθc)=JQkθθ??c∑Μz=F3RΤ-2(kYkFθs+JBθ??slY)?RL(1+cos2ψ)cos(kθθs)=JQkθθ??s∑Μy=F1+F2+F3-4(kYkFθ0+JBθ??0lY)-mg=mkhθ??0}(7)式中,kh為槳葉迎角與傾斜器上下位移的比例系數(shù),kh=h/θ0;kθ為由槳葉迎角與傾斜器傾角的比例系數(shù),kθ=αc/θc=αs/θs.模型結(jié)構(gòu)如圖3所示.3縱向作動器的振動下面分別是對該模型總距、俯仰和滾轉(zhuǎn)進行仿真分析.圖4為系統(tǒng)在θs和θc為零的情況下,對θ0施加以15°的階躍時系統(tǒng)3個作動器的受力和旋翼姿態(tài)的變化情況.由圖4顯示,θ0產(chǎn)生的主要是橫向作動器受力F1,F2,θ0階躍時縱向作動器F3受到力擾動,最終隨著姿態(tài)的穩(wěn)定而趨于零;θ0階躍時θc受到較小的擾動,主要是θs受到的擾動比較大.圖5為系統(tǒng)在θ0和θc為零的情況下,對θs施加以15°的階躍時系統(tǒng)3個作動器的受力和旋翼姿態(tài)的變化情況.由圖5顯示,由于存在θs,3個作動器都會產(chǎn)生一個周期交變受力F1,F2,F3;θs階躍時θ0和θc受到較小的擾動.圖6為系統(tǒng)在θ0和θs為零的情況下,對θc施加以10°的階躍時系統(tǒng)3個作動器的受力和旋翼姿態(tài)的變化情況.由圖6顯示,由于存在θc,3個作動器都會產(chǎn)生一個周期交變受力F1,F2,F3;θc階躍時θ0和θs受到較小的擾動.4系統(tǒng)的主要負載特性,主要是將各改動器的研制后進行系統(tǒng)仿真設計;通過對液壓系統(tǒng)和力系統(tǒng)的聯(lián)合建模及仿真分析,發(fā)現(xiàn)試驗臺系統(tǒng)在姿態(tài)變化時,對各作動器都會產(chǎn)生力干擾,導致位移擾動,特別是縱向作動器的擾動特別的明顯,嚴重影響旋翼的控制精度.姿態(tài)調(diào)整的精度影響著試驗的效果.特別是在姿態(tài)連續(xù)變化或在進行激振試驗時,如果力擾動過大,控制精度不夠,就會使系統(tǒng)失控.在系統(tǒng)建模的基礎上,通