基于参数化组件定义的复合材料旋翼桨叶结构优化设计

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaMar．252013V01．34No．3554．565ISSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu．cn基于参数化组件定义的复合材料旋翼桨叶结构优化设计杨建灵1，张丽艳1’*，周少华21．南京航空航天大学机电学院，江苏南京2100162．中国直升机设计研究所，江西景德镇333001摘要：为提高直升机复合材料旋翼桨叶结构设计效率，依据实际工程应用情况，提出了一种基于参数化组件定义

2、的复合材料旋翼桨叶结构优化设计方法。以C型梁复合材料旋翼桨叶为研究对象，建立以精确的桨叶组件定义参数为设计变量的剖面优化和整体优化模型，通过桨叶的剖面优化确定出整体优化的初值，再由桨叶整体优化实现桨叶结构的最优设计。最后对某型主桨叶进行结构设计实例验证，结果表明该方法能够有效地实现直升机复合材料旋翼桨叶结构优化设计。关键词：直升机；复合材料；桨叶；结构设计；优化设计中图分类号：V275+．1；TP391．72文献标识码：A文章编号：i000—6893(2013)030554—12桨叶结构设计是直升机设计中的重要内容，其性能的

3、优劣对直升机有重要影响。为追求直升机低振动、低噪声以及轻重量等目标，学术及工程界开展了大量的旋翼桨叶结构优化设计研究。根据设计变量不同，这些研究主要分为两大类：一类是以桨叶剖面特性值(如质量线密度、挥舞刚度、摆振刚度以及扭转刚度等)为设计变量的研究[1～一。例如在Lim和Chopra[21开展的考虑旋翼桨叶气弹约束的直升机减振研究中是以桨叶剖面的配重质量、挥舞刚度、摆振刚度及扭转刚度等剖面特性值为设计变量；在Walsh等[31提出的多层次分解的集成桨叶空气动力学、结构动力学的旋翼桨叶优化设计方法的上层优化设计中，是以桨叶的挥

4、舞刚度、摆振刚度以及扭转刚度等剖面特性值为设计变量。另一类则是以桨叶组件结构尺寸参数作为设计变量的研究[6。1“。例如，在Chat—topadhyay和walshL60开展的桨叶减重研究中是以矩形盒型梁的长度、宽度以及壁厚等尺寸为设计变量，并施加桨叶固有频率、自转惯量以及离心力约束条件；在顾元宪等口叩提出的面向设计的复合材料旋翼桨叶动力优化设计方法中是以桨叶C型大梁、Z型前壁梁和配重条的结构尺寸参数为设计变量；在Glaz等[1q开展的针对桨叶前飞状态减振的桨叶结构优化设计研究中是以桨叶配重质量、填充物质量以及3种盒型梁壁厚为

5、设计变量。虽然上述研究均取得了一定成果，但这些方法中都需对桨叶组件结构进行简化，并只对少量参数进行优化，而对于复合材料桨叶结构而言这些简化与实际结构差别较大。如何在更为精确的真实结构参数的基础上开展复合材料桨叶的结构优化设计，使优化结果能够直接用于结构设计，目前还缺乏足够深入的研究。收稿日期：2012—03—23；退修日期：2012—06—04；录用日期：2012—06—12；网络出版时间：2012．07．1117：03网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929．V．201207111703．0

6、02hlml*通讯作者．Tel．：025-84892004E-mail：zhangly@nuaa．eduon现用梧武

7、YangJL．ZhangLY．ZhouSH．CompositehelicopterrotorbladeoptimizationdesignbasedonparametricmoduledefinitionActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(3)：554-565杨建灵，张丽艳，周少华．基f参数纯组件定义的复合材料旋翼桨叶结构优化设计航空学报，2013，34(3

8、)：554—565．杨建灵等：基于参数化组件定义的复合材料旋翼桨叶结构优化设计本文针对上述问题，通过对桨叶结构设计过程的讨论，提出了一种剖面优化和整体优化相结合的基于参数化组件定义的复合材料旋翼桨叶结构优化设计方法。该方法是以目前广泛应用的C型梁复合材料旋翼桨叶结构为研究对象，借助桨叶组件的实际结构参数化定义方法及相应的结构分析方法，建立了以精确的桨叶组件定义参数为设计变量的剖面优化和整体优化模型，通过桨叶的剖面优化确定出整体优化的初值，最终由桨叶整体优化实现桨叶结构的最优设计。1问题分析及方法概述桨叶结构设计是一个迭代寻优

9、的设计过程。如图1所示，桨叶结构设计是在给定桨叶气动外形和总体设计参数的前提下，依次通过制定桨叶各剖面组件设计方案一桨叶剖面特性分析一桨叶整体特性分析与校核流程，再根据整体特性分析与校核的结果来调整桨叶各剖面组件设计方案，从而循环往复地进行上述流程，最终得出满足设计要求的桨叶组件结构设计方