直升机标准桨叶特性参数测量技术研究

论文摘要

直升机标准桨叶是直升机批生产桨叶特性参数检测和调试的参照标准,是保存该型号直升机桨叶特性参数的原始标准,是实现直升机桨叶单片互换的基础。桨叶是直升机旋翼升力系统的重要部件,其特性参数直接影响到直升机的飞行品质,每一片批生产桨叶在装机前都要进行动平衡检测和调整,使其特性参数与标准桨叶一致。我国某型号直升机3片标准桨叶由法国引进,复合材料制造,其中1片标准桨叶的特性已发生变化,与原始校准数据和其他2片标准桨叶参数无法对应,已经停止其作为标准桨叶的特性参数传递过程,严重影响了某型直升机批生产桨叶的检测任务,若再有1片标准桨叶特性参数发生变化则会造成很严重的后果,必须对3片标准桨叶的特性参数进行系统调整,使其恢复到出厂时的技术参数水平,保持标准桨叶特性参数长期稳定性和一致性,为标准桨叶的系统校准奠定基础。本文把标准桨叶动平衡过程中桨叶挥舞角按Taylor基数展开,建立了标准桨叶带复杂空气动力激扰的Duffing非线性挥舞运动方程,通过Melnikov方法分析了桨叶所受气动力、气动阻尼、2倍和3倍周期不平衡空气动力激扰作用对挥舞方程稳定性和标准桨叶挥舞参数的影响,得出标准桨叶挥舞参数是稳定的,但对旋翼桨毂特性和试验环境参数比较敏感。桨叶挥舞高度参数受到标准桨叶本身特性参数和其他试验参数的影响,通过在动平衡试验台上交换标准桨叶安装位置的方法,获得标准桨叶的动平衡试验参数,实现标准桨叶特性参数与旋翼桨毂参数的解耦。根据标准桨叶动平衡和标准传递过程,确定标准桨叶需要测量和调整的静态特性参数和动态特性参数;针对标准桨叶挥舞运动对环境阵风引起的不平衡空气动力的挥舞响应,文中提出了桨叶动平衡试验环境中风速影响的分析方法,通过仿真试验和实际测量数据,得出了在桨叶挥舞参数误差要求范围内的风速极值,结果与法国相关的试验标准相吻合,进而确定了标准桨叶特性参数测量与调整过程的环境风速条件,奠定了准确恢复标准桨叶特性参数的基础。本文采用激光测量技术来测量桨叶的挥舞参数。进一步研究了激光器安装定位参数的测量方法,利用激光器本身的结构和标定算法,实现了激光器定位参数的标定;利用一定厚度的模拟桨叶切割激光光路的方法标定标准桨叶挥舞参数测量系统,实现了标准桨叶挥舞参数测量系统的标定和溯源。最后,对标准桨叶挥舞参数测量系统和测量结果进行了不确定度分析。对于标准桨叶铰链力矩的测量,文中设计了基于RBF神经网络的铰链力矩载荷识别和动态特性补偿方法,神经网络的结构避免了建立系统的结构模型,把扭矩载荷识别和标定的反问题都做为正问题处理。用同步采样的实际静态载荷和正弦扭矩载荷数据训练神经网络,并对训练结果进行了试验数据验证,实现了铰链力矩测量系统的动态标定,提高了标准桨叶铰链力矩的测量准确度。本文针对某型号标准桨叶静态特性参数和动态特性参数进行了具体的试验测量,通过实测数据与法国出厂校准数据的比较,找出了标准桨叶特性参数变化的趋势,提出了标准桨叶特性参数整体调整恢复的方法,使标准桨叶特性参数恢复到出厂时的参数水平,保证了标准桨叶特性参数的延续性和长期稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 直升机旋翼桨叶及其检测技术的发展状况
• 1.2.1 直升机旋翼桨叶的发展状况
• 1.2.2 直升机旋翼桨叶挥舞参数测试技术发展状况
• 1.2.3 地面试验中桨叶动态参数测量技术的发展概况
• 1.2.4 直升机标准桨叶的发展概况
• 1.3 旋翼桨叶空气动力及气弹稳定性分析模型
• 1.3.1 铰接式旋翼桨叶刚体梁模型
• 1.3.2 无铰及无轴承式旋翼桨叶中等变形梁模型
• 1.3.3 旋翼翼型剖面气动载荷模型
• 1.4 旋翼桨叶铰链力矩测量技术
• 1.5 测量系统动态特性补偿技术
• 1.5.1 连续测量系统模型传递函数的补偿方法
• 1.5.2 离散测量系统模型传递函数的补偿方法
• 1.5.3 基于神经网络的补偿方法
• 1.6 存在问题及发展方向
• 1.7 主要研究内容
• 第2章 基于Duffing系统的桨叶挥舞运动分析
• 2.1 引言
• 2.2 标准桨叶动平衡试验模型
• 2.2.1 桨叶动平衡试验台
• 2.2.2 标准桨叶动平衡试验挥舞运动模型
• 2.3 Duffing方程的稳定性分析
• 2.3.1 Duffing方程的混沌振动特性
• 2.3.2 混沌振动的主要特征和判据
• 2.4 旋翼桨叶挥舞运动的稳定性分析
• 2.4.1 基于线性扰动方程的桨叶挥舞运动稳定性分析
• 2.4.2 基于非线性Duffing方程的桨叶挥舞运动稳定性分析
• 2.4.3 定常升力对旋翼桨叶挥舞运动的影响
• 2.4.4 周期气动阻尼力对桨叶挥舞运动的影响
• 2.4.5 二倍周期耦合微扰对桨叶挥舞运动的影响
• 2.4.6 三倍周期耦合微扰对桨叶挥舞运动的影响
• 2.4.7 标准桨叶挥舞参数对试验环境的敏感性
• 2.5 标准桨叶动态参数测量方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 标准桨叶特性参数及其解耦方法
• 3.1 引言
• 3.2 标准桨叶的特性参数
• 3.2.1 标准桨叶静态特性参数
• 3.2.2 标准桨叶动态特性参数
• 3.2.3 标准桨叶静态参数与动态参数的关系
• 3.3 标准桨叶动平衡过程中特性参数解耦算法
• 3.3.1 标准桨叶动平衡过程
• 3.3.2 标准桨叶特性参数调整过程
• 3.4 标准桨叶特性参数测量与调整过程的环境风速参数
• 3.4.1 标准桨叶动平衡试验环境的阵风模型
• 3.4.2 动平衡试验环境风速
• 3.5 本章小结
• 第4章 标准桨叶挥舞参数的测量
• 4.1 引言
• 4.2 法国桨叶动平衡试验共锥度参数测量装置
• 4.3 标准桨叶挥舞共锥度参数测量方法
• 4.3.1 激光平面法测量误差分析
• 4.3.2 标准桨叶挥舞参数测量方法
• 4.4 激光器安装参数的标定
• 4.4.1 两垂直激光器与桨毂中心夹角的测量方法
• 4.4.2 激光器水平安装参数的测量方法
• 4.4.3 激光器挥舞参数测量范围的测量方法
• 4.4.4 激光接收器组平面与桨毂中心距离的测量方法
• 4.5 试验结果及系统测量系统不确定度分析
• 4.5.1 标准桨叶挥舞参数测量系统的测量不确定度分析
• 4.5.2 标准桨叶挥舞参数的测量不确定度分析
• 4.5.3 试验结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 标准桨叶铰链力矩的测量
• 5.1 引言
• 5.2 动态载荷参数识别方法
• 5.2.1 载荷识别反演方法
• 5.2.2 神经网络载荷识别方法
• 5.3 测量系统动态特性补偿方法
• 5.3.1 基于测量系统动态模型传递函数的补偿方法
• 5.3.2 基于神经网络的补偿设计方法
• 5.3.3 测量系统动态响应补偿方法比较
• 5.4 基于神经网络的铰链力矩载荷测量和补偿方法
• 5.4.1 RBF神经网络
• 5.4.2 神经网络结构设计
• 5.5 桨叶铰链力矩测量系统现场标定及神经网络训练
• 5.5.1 铰链力矩测量系统的标定方法
• 5.5.2 标准桨叶铰链力矩测量系统组成
• 5.5.3 标准桨叶铰链力矩测量系统训练结果
• 5.6 标准桨叶特性参数的测量和调整结果
• 5.6.1 标准桨叶静态参数的调整恢复
• 5.6.2 标准桨叶动态参数测量与调整
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历