一种直升机旋翼桨叶剖面设计方法

摘要

本发明公开了一种基于拓扑优化的直升机旋翼桨叶剖面设计方法，属于直升机技术领域。首先根据气动要求确定外形参数，指定优化目标函数、约束函数，建立优化模型；然后采用有限元软件建立桨叶几何模型并划分网格，将节点、网格和材料信息导入到MATLAB软件中，采用以每一个单元密度为设计变量的SIMP算法；再次求解当前设计状态的旋翼桨叶敏度信息，并采用敏度过滤方法以避免棋盘格问题，更新桨叶剖面单元的密度信息；最后求解更新前后的密度差值，满足收敛条件则结束优化，否则以更新后的密度为初始设计参数继续迭代计算直到收敛，最后输出桨叶结构型式。本发明提出的桨叶设计方法可以应用于概念设计阶段的桨叶结构初步设计。

主权项

一种直升机旋翼桨叶剖面设计方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：第一步，根据直升机旋翼的气动外形参数要求，确定桨叶的气动外形，根据拓扑优化设计要求，确定目标函数、约束函数，进而建立优化模型；第二步，采用有限元软件利用步骤一中确定的气动外形参数建立桨叶几何模型，并划分网格，得到n个单元，导出单元节点坐标、单元信息和材料参数信息；第三步，读入n个单元的节点坐标、单元信息和材料参数信息；第四步，根据当前桨叶剖面各个单元的密度，求解目标函数的敏度信息；采用拓扑优化中的SIMP算法，以每一个单元的密度ρ_i作为设计变量，利用单元模量信息，求解当前旋翼桨叶目标函数关于各个单元设计变量的敏度信息；第五步，由步骤四得到目标函数关于各个单元设计变量的敏度信息cs_j之后，采用序列线性规划算法更新每一个单元的设计变量；第六步，原结构第i个单元的密度为ρ_i，通过第五步得到的更新后的单元密度为ρ_i^new，计算更新前后每一个单元密度差值的绝对值，当最大的差值小于指定的收敛条件η后，满足收敛条件，结束优化，否则回到第四步，直到满足收敛条件；输出优化得到的各个单元的密度信息，从而得到桨叶结构的拓扑结构；所述的第一步中，以柔度或者截面刚度作为目标函数，约束条件为质量约束，设计变量为每一个单元的密度，建立优化模型如下：目标函数：$C=\underset{o}{\overset{L}{\int }}\mathrm{\theta F\theta dl}$或K满足约束条件：$\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\rho }_i{A}_i\le m_0\\ {\rho }_{\min }\le \rho \le 1\end{array}$其中：L表示桨叶长度，l为沿桨叶长度的变量，C为柔度，K为截面刚度，θ为截面载荷，F为截面柔度矩阵，n为单元个数，ρ_i为截面第i个单元的密度，单元厚度默认为1，A_i为第i个单元的面积，i为单元编号且i＝1,2......n，m₀为质量约束，ρ_min为单元密度的最小值。