旋翼高效/高精度气弹全耦合分析方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32161

第二届空天前沿大会/第二十七届中国科协年会优秀论文

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旋翼高效/高精度气弹全耦合分析方法

王鑫¹^,², 张夏阳¹^,²(), 郑礼雄¹^,², 向锦武³

^1.南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室，南京 210016 2．南京航空航天大学直升机研究院，南京 210016
^3.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191

收稿日期:2025-02-25 修回日期:2025-03-31 接受日期:2025-04-29 出版日期:2025-05-09 发布日期:2025-05-06
通讯作者: 张夏阳 E-mail:zhangxiayang@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12472237);国家自然科学基金(12032012);航空科学基金(2024Z010052002);中国科协青年人才托举工程(2022QNRC001);国家重点实验室基金(61422202201);江苏高校优势学科建设工程

High-efficiency and high-precision aeroelastic full coupling method of rotor

Xin WANG¹^,², Xiayang ZHANG¹^,²(), Lixiong ZHENG¹^,², Jinwu XIANG³

^1.National Key Laboratory of Helicopter Aeromechanics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.Helicopter Research Institute，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^3.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2025-02-25 Revised:2025-03-31 Accepted:2025-04-29 Online:2025-05-09 Published:2025-05-06
Contact: Xiayang ZHANG E-mail:zhangxiayang@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12472237);Aeronautical Science Foundation of China(2024Z010052002);Young Elite Scientists Sponsorship Program by CAST(2022QNRC001);National Laboratory Foundation of China(61422202201);Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions

摘要/Abstract

摘要：

兼顾旋翼气弹耦合的计算精度及效率，建立了一套基于GEBT/VVPM/L-B全耦合旋翼气弹分析方法。结构上采用可有效考虑大变形的几何精确梁理论（GEBT）建立桨叶动力学模型，并耦合黏性涡粒子方法（VVPM）以及L-B动态失速模型，有效捕捉尾迹黏性流动和畸变以及桨叶的非定常气动特性。在动力学模型迭代求解过程中，将响应以参数化形式写入气动求解模块，实现旋翼气弹全耦合求解。以UH-60A的c8534高速前飞状态为例，通过与试验值和CFD/CSD紧耦合计算结果对比，验证了气弹全耦合方法的有效性。结果表明：相比于刚性旋翼，气弹全耦合求解模型可显著提高旋翼非定常气弹载荷的分析精度；相比于CFD/CSD耦合方法，在不影响计算精度的前提下，计算效率可提升54倍以上；前飞过程中桨叶的挥舞和扭转响应具有强非线性特性，在此状态下仍可有效预测旋翼气弹载荷，进一步验证了模型的鲁棒性。

关键词: 黏性涡粒子方法, 几何精确梁理论, 气弹全耦合, 结构载荷, 气弹响应

Abstract:

To balance calculation accuracy and efficiency of rotor aeroelastic coupling analysis， a fully coupling aeroelastic method based on GEBT/VVPM/L-B is established. Structurally， the dynamic model of blade is established by using the Geometrically Exact Beam Theory （GEBT）， which effectively consider the large deformation. The Viscous Vortex Particle Method （VVPM） and the L-B dynamic stall model are coupled to consider the viscous flow， the distortion of the wake and the unsteady aerodynamics of the airfoil. In each iterative step， the aeroelastic response is inserted into the aerodynamic computation module in a parametric form to realize the full coupling strategy. The c8534 flight of UH-60A is introduced for verification， and the effectiveness of the aeroelastic coupling method is verified by comparing with the experiment and the CFD/CSD tight coupling result. The results show that the proposed method can improve the computational accuracy significantly relative to the rigid rotor model. Compared with the CFD/CSD coupling method， the calculation efficiency can be improved by more than 54 times without apparently affecting the calculation accuracy. The rotor aeroelastic loads can be effectively predicted in solving the strong nonlinear aeroelastic responses， which verifies the robustness of the model.

Key words: viscous vortex particle method, geometrically exact beam theory, aeroelastic full coupling, structural loads, aeroelastic response

中图分类号:

V215.34

王鑫, 张夏阳, 郑礼雄, 向锦武. 旋翼高效/高精度气弹全耦合分析方法[J]. 航空学报, 2025, 46(S1): 732161.

Xin WANG, Xiayang ZHANG, Lixiong ZHENG, Jinwu XIANG. High-efficiency and high-precision aeroelastic full coupling method of rotor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(S1): 732161.

图/表 11

图 1

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表 1

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参考文献 34

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
桨叶片数	4
桨叶弦长/m	0.527
桨叶半径/m	8.178
实度	0.082 6
桨叶负扭/（°）	-8
挥舞较外伸量/m	0.381
桨尖后掠角度/（°）	20
旋翼转速/（r·min^-1）	258

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High-efficiency and high-precision aeroelastic full coupling method of rotor

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[1]	王鑫, 张夏阳, 招启军, 向锦武. 基于VVPM/GEBT耦合方法的旋翼悬停状态总距突增气弹载荷分析[J]. 航空学报, 2025, 46(16): 231628-231628.
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