MFC智能旋翼振动控制

旋翼系统是直升机研制与发展的技术核心，也是直升机中最主要的振动源和噪声源，其振动问题直接影响直升机的运行性能。智能旋翼控制已成为最有前途的振动控制方案之一，是当前多学科交叉的学术研究前沿。项目根据均匀场理论，建立目前最理想的智能材料- - 粗压电纤维复合材料（MFC）的代表体积胞元力学模型，应用压电材料在力、电、热共同作用下的非线性本构模型，研究MFC在多场耦合作用下的非线性力学行为；在已有旋翼非线性有限元建模及气动力研究的基础上，引入MFC材料非线性，建立包含旋翼几何大变形、气动弹性力的合理有效的MFC智能旋翼非线性动力学模型，分析其非线性动力特性及MFC作动器的配置策略；对MFC智能旋翼进行主动扭转控制，通过数值模拟和实验研究MFC智能旋翼在悬停和平稳前飞两种状态下MFC作动器的扭转作动性能和减振效果。为智能旋翼跨专业优化设计及提高直升机运行的安全性、稳定性和舒适性提供理论依据和研究方法。

旋翼系统是直升机技术的核心，是其最主要的振动源和噪声源，智能旋翼是直升机技术发展的前沿。本项目以MFC（Macro Fiber Composite）智能旋翼系统为研究对象，采用实验和数值分析相结合的方法，进行了该系统在多场耦合作用下的非线性建模、动力特性及降噪减振研究。主要完成了以下几个方面的工作：（1）采用解析法研究了由于MFC材料中的压电纤维的非线性极化行为所导致的残余应力对这种1-3型压电复合材料横向振动模态、频散曲线等动态特性的影响。（2）进行了含有MFC作动器的预扭梁结构在力场和电场共同作用下的动态行为实验，研究了结构扭转角随外加电场、力场的变化；建立了该结构的数值模型，同实验结果进行了对比验证，研究MFC材料的刚度矩阵和压电矩阵各向异性等参数对结构扭转角的影响，探讨了MFC作动器的作动机理，及其作为作动器的配置策略。3）搭建了旋翼桨叶缩比模型实验台，进行了桨叶模型的模态实验，建立了包含几何大变形、应力刚化的旋翼桨叶的声振耦合模型，研究了旋翼在静止、旋转情况下的动力特性及其在耦合场影响下的变化规律和其中存在的非线性现象。4）在消声室进行了旋翼悬停状态下对应不同转速、距角、测点距离和角度的噪声实验；建立了多场作用下旋翼系统的流固耦合数值模型，将数值结果同实验结果进行了对比验证，研究了旋翼噪声随转速等不同因素的变化规律。5）直升机主轴的振动也是旋翼系统振动中的一个重要因素。采用考虑Hertzian接触力和内间隙等非线性因素的滚动轴承动力学模型，建立了滚动轴承－旋翼主轴系统的非线性动力学模型。通过数值仿真，研究了滚动轴承—旋翼主轴系统的非线性动力特性。本项目的研究将为智能旋翼跨专业优化设计及提高直升机运行的安全性、稳定性和舒适性提供必要的理论依据和研究方法。