直升机旋翼阻尼器非线性动力学特性研究

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1、中图分类号：V215.3+5论文编号：102870115-B025学科分类号：082501博士学位论文直升机旋翼阻尼器非线性动力学特性研究研究生姓名李锐锐学科、专业飞行器设计研究方向直升机动力学设计指导教师杨卫东教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一五年六月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAeronauticsandAstronauticsResearchonHelicopterRotor

2、Lead-LagDamperNonlinearDynamicsCharacteristicsAThesisinAerospaceScienceandTechnologybyLiRuiruiAdvisedbyProf.YangWeidongSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyJune,2015承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加

3、以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要直升机摆振阻尼器动力学特性建模对于直升机旋翼系统动力学分析中的结构载荷、运动响应和系统稳定性三个主要研究方向都有重要的作用和意义。摆振阻尼器动力学建模的

4、难点在于阻尼器的种类多样，工作原理不尽相同，应力应变关系非线性明显，例如非线性最强的粘弹阻尼器动力学特性受到激振频率、应变幅值、温度等因素影响，同时粘弹材料的刚度非线性、直升机摆振阻尼器在前飞状态下受到摆振一阶和1/rev两个频率激励的特殊工作状态也是不可忽视的。现有模型不能充分解决上述问题，这给旋翼系统动力学建模带来了不便，阻碍了旋翼系统动力学分析水平的提高。本文开展了直升机旋翼摆振阻尼器非线性动力学特性建模研究，发展了可以综合考虑上述影响因素的直升机粘弹摆振阻尼器动力学时域模型，并在此基础上将建模方法

5、向液弹阻尼器、液弹磁流变阻尼器进行了扩展，同时验证了建模方法的有效性。本文首先选取非线性最强的粘弹阻尼器作为研究对象，通过改进得到了引入了温度影响的基于内变量场模型的粘弹材料本构模型，并验证了模型的有效性，以此粘弹材料模型为基础建立了嵌入式层压粘弹阻尼器时域动力学分析模型，模型采用有限元形式，针对嵌入式层压粘弹阻尼器的金属隔片和粘弹材料层层叠加的结构特点考虑了金属隔片的惯性影响，分析了阻尼器在高频激振下的动力学特性。为了体现粘弹材料的刚度非线性，统一粘弹阻尼器的模型形式，引入非线性弹簧原件进一步改进了粘弹

6、本构模型建立了粘弹材料的刚度变化规律可变内变量场本构模型，利用上述材料模型对两种不同刚度变化规律类型的粘弹阻尼器进行了建模，并验证了模型的有效性。进行了粘弹阻尼器动力学特性模型试验研究，通过对嵌入式层粘弹阻尼器、筒式粘弹阻尼器两种阻尼器的动力学性能测试得到应力应变迟滞回线，为动力学理论模型的模型参数识别和模型验证提供了必要的数据。在试验中还同时得到了两种不同类型刚度变化规律的粘弹阻尼器动力学试验数据。针对内变量场模型参数较多，不便于用于其他类型阻尼器的动力学建模的问题，建立了基于分数阶微积分理论的粘弹阻尼

7、器分数阶导数模型。模型通过将传统的二阶整数阶动力学微分方程中的一阶导数项替换为分数阶导数项得到，同时为了体现粘弹阻尼器的刚度非线性，增加了阶次可变函数，利用阶次可变函数可以调整模型的刚度变化规律。由于分数阶导数模型的求解计算量随求解区间长度的增长呈2次幂函数增长，在计算较长区间时的计算量难以接受，引入短期记忆准则将计算量的增长随求解区间长度的增长的关系变为线性增长。通过数值模拟和计算与试验结果相对比验证了分数阶导数模型对于不同激振频率、应变幅值、双频激励下的粘弹阻尼器动力学特性描述的有效性。I直升机旋翼阻

8、尼器非线性动力学特性研究最后将基于分数阶微积分理论的的粘弹阻尼器动力学特性建模方法向液弹阻尼器、液弹磁流变阻尼器的动力学特性建模工作扩展。通过增加初始阶次可变方程引入由于电流强度的变化对于液弹磁流变阻尼器动力学特性的影响。验证了利用粘弹阻尼器分数阶导数模型进行液弹阻尼器、液弹磁流变阻尼器动力学特性研究的可能性。关键词：直升机,旋翼,动力学,非线性,摆振阻尼器,粘弹材料,分数阶导数II南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACT