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第十几届(2003)全国直升机年会论文 带粘弹减摆器的旋翼耦合系统气弹稳定性分析 曹涛 杨卫东 (南京航空航天大学直升机旋翼动力学国防科技重点实验室) 摘要：通过建立粘弹减摆器非线性时域模型，研究粘弹减摆器非线性动 力学特性．并将减摆器模型与旋翼非线性气弹动力学模型耦台．研究这类 旋翼耦合系统的气弹动力学特性。利用非线性滞弹位移场模型建立粘弹减 摆器有限元模型，在揭示这类粘弹减摆器幅变、频变等非线性特性的基础 上．研究其对旋翼，减摆器耦合系统动特性、气弹响应及稳定性的影响。研 究表明，在不同的桨盘载荷及不同的前进比下，粘弹减摆器的幅变、频变 非线性特性对旋翼耦合系统的动特性、气弹响应及稳定性具有重要影响。 l引言 带牯弹减摆器的旋翼是现代直升机旋翼系统普遍采用的先进旋翼形式。与传统 采用液压减摆器的旋翼相比，粘弹减摆器旋翼具有显著优点，粘弹减摆器是通过橡 胶材料的剪切运动耗散了能量，其结构简单，维护方便。在提供复杂的耗能阻尼的 同时，粘弹减摆器还提供了随幅值、频率变化的刚度，这个刚度又影响旋翼系统的 频率，且随飞行状态而有所变化，从而影响整个旋冀系统的动力学特性。因此．粘 弹减摆器在带来许多优点的同时，也给这类先进旋翼耦合系统的气弹动力学分析带 来了相当的难度。这主要表现在粘弹材料具有较强非线性特性，在静态时呈现超弹 性，而在动态时呈现不可逆性和减退记忆特性，并且其动力学特性随应变幅值、频 率、温度等多种参数变化。以往用于旋翼气弹分析的粘弹减摆器模型多处理为线性 复剐度模型．即给定减摆器在两个主要频率下的阻尼和刚度值．作为原始数据输入 到气弹分析程序中。实际上粘弹减摆器所具有较强的幅变、频变等非线性特性，对 旋翼耦合系统动力学特性影响很大，因此要准确分析这类旋翼耦合系统气弹动力学 特性，尤其是非线性气弹响应、载荷及稳定性等，瞄须建立旋翼，减摆器耦合系统的 非线性时域耦合模型。 基于复模量的减摆器模型，其线化的储能和耗能模量参数是很容易的，但往往 不能表征材料的迟滞回线非线性形状的特性。也不能准确预测诸如：极限环不稳定 性、载荷峰值、摆振振动水平以及旋翼转速过渡时的载荷情况等。有效的时域模型 应该能模拟以下效应：静应变偏置和双频激励。困此，时域内的粘弹减摆器模型成 为研究热点， 展。Panda着重于低应变幅值时极限环不稳定性和双频激励．提出了一个时域减摆 器模型。这个模型是一个非线性弹簧和一个可变摩擦减摆器组成．弹簧刚度是其位 移的函数，摩擦力是位移峰值的函数，用这些函数可以计算任一时刻的应力。Kunz 用非线性的Vogit元件来研究旋翼启动时的桨叶的瞬态响应，在给定的幅值下．用 减摆器的响应来特征化模型。在桨叶转速达到50％的额定转速之前，桨叶的摆振角 的估计值明显篇小。宾州大学Lesieutre等最初提出了非线性滞弹位移场ADF模型， 非线性参数通过对100％动态应变幅值时的迟滞回线进行曲线拟合来确定。 国内对粘弹性减摆器的研究取得了一些研究结果，刘强、张晓谷运用复刚度分 析了带粘弹减摆器的直升机“地面共振”稳定性。胡国才、张晓谷分析了减摆器静 位移和几何耦合对直升机“空中共振”稳定性的影响；于佰明、韩景龙对粘弹减摆 器旋翼系统建立了ADF时域模型并进行气弹稳定性等初步分析。 本文采用非线性滞弹位移场模型建立粘弹减摆器时域模型，并与旋翼旋翼非线 性气弹动力学方程耦合，建立耦合系统动力学方程．研究这类旋翼耦合系统在不同 飞行状态下的气弹响应及气弹稳定性特性。 2旋翼／减摆器耦合系统非线性时域模型 2．i非线性ADF模型 线性ADF材料模型是基于热不可逆原理的连续场模型，用于描述粘弹性材料 作一维剪切运动时的频率特性和温度特性。其单滞弹位移场本构关系写为： 矿=G。(ULU…) 【1) 盯“=G。(“’一CU“) 12) 其中u(x，})是总的位移，仃4为滞弹应力，“4为滞弹位移，G。为材料的无松弛或高频动 态剪切模量，c为总位移和粘弹位移之间的耦合系数。 对于一维剪切的ADF模型，运动方程和松弛方程分别可以写成：