倾转旋翼机复合材料机翼动特性：仿真分析新视角

倾转旋翼机可在直升机模式、固定翼飞机模式和两者之间过渡模式飞行，集直升机和固定翼飞机飞行特点与一身。相比传统直升机，倾转旋翼机的飞行速度大幅提高，飞行包线更大，应用范围更加广阔；与固定翼飞机相比，倾转旋翼机大大降低了对场地的要求，提高了空间灵活性。然而，倾转旋翼机特殊的结构设计使其兼具了类似于直升机“地面共振”“空中共振”以及固定翼飞机回转颤振的动力学不稳定问题，其中回转颤振是倾转旋翼机设计不容忽视的自激不稳定性问题。研究表明倾转旋翼机的机翼刚度是影响回转颤振稳定性的重要因素之一，其中扭转刚度对回转颤振稳定性的影响较大，弦向及垂向弯曲刚度的影响较小，适当提高机翼扭转刚度能够有效提升回转颤振边界速度。但是，复合材料机翼力学性能相比金属材料更为复杂。国内外诸多学者针对倾转旋翼机复合材料机翼开展研究探索。Rais-Rohani M.等研究了复合材料的方向刚度特性对倾转旋翼机机翼刚度的影响，分析了动力等约束条件下最小重量机翼结构设计方法。Popelka等人通过机翼气弹剪裁设计研究了机翼厚度对对V-22倾转旋翼回转颤振的影响，机翼最大厚度变化对回转颤振速度边界提升明显。Sprangers,C.A等进行V-22倾转旋翼机机翼仿真（如图1）分析，并通过振动试验研究对仿真结果进行了验证，提高了全尺寸机翼研制设计把握。诸多研究证明了复合材料机翼结构设计在倾转旋翼机研制中具有重要的工程意义。

基于有限元方法分析了倾转旋翼机复合材料机翼动特性，通过文献测试结果验证了有限元分析结果的准确性和建立的机翼模型可信度。然后进行了复合材料机翼的构型设计分析，研究了蒙皮厚度和复合材料蒙皮铺层角度对机翼动特性尤其是扭转刚度的影响，为进一步提高倾转旋翼机回转颤振稳定性边界提供方向。

机翼结构设计方案与动力学有限元模型

机翼结构由蒙皮、翼梁、翼肋、加强筋条、副翼等结构组成，蒙皮建模时通过复合材料铺层方法设置单元材料属性。根据受力特点，机翼蒙皮结构主要采用0度（或90度）和45度交替的铺层方式。铺层设计方案（原方案）具体见表1。

为了与参考文献对比，数值模拟中忽略襟翼、副翼等结构对机翼动特性的影响，主要分析中间主承力部分。同时，倾转旋翼机对称型模态的回转颤振边界速度比反对称型模态的回转颤振边界速度低，因此，本文选取半展长的机翼有限元模型进行动特性分析，在满足机翼动力学的分析要求的基础上既减少自由度的数量又提高了分析效率。

基于有限元法建立机翼动力学有限元模型，机翼蒙皮采用Shell单元模拟，梁采用Beam单元模拟，并根据设计方案定义梁截面属性，设备、系统及燃油质量用集中质量（CONM2）的形式，通过MPC刚体元施加于质心位置，使得有限元模型质量特征与设计状态一致。机翼的端部，安装可倾转刚性短舱，旋翼系统与刚性短舱固连，模型中采用集中质量单元模拟刚性短舱和旋翼系统，并通过MPC施加于相应的质心位置。边界位移条件设置为中机身的机翼对称面位置施加完全约束，消除刚性模态。机翼动力学有限元模型见图2。

表1 复合材料机翼铺层初始方案（原方案）  下载原图

图1 V-22机翼有限元模型  

图2 机翼动力学有限元模型

模态分析与验证

倾转旋翼机回转颤振是其在飞机模式大速度前飞时，旋翼挥舞运动引起的气动干扰同机翼扭转与弯曲变形之间的耦合引起的自激不稳定现象。因此，本节基于MSC Nastran进行机翼油箱无油情况下的模态分析，分析机翼动特性。表2给出机翼主要振动模态频率。机翼的前三阶模态振型分别为垂向弯曲、弦向弯曲和扭转模态，前三阶模态分布与V-22倾转旋翼机振动测试模态一致，模态频率与其测试数据具有较好的一致性，表明所建立的倾转旋翼机机翼有限元分析结果的可靠性，模型具有较高的可信度。

表2 倾转旋翼机机翼固有频率计算结果

机翼动特性分析

复合材料具有各向异性的刚度特性，研究复合材料蒙皮的铺设角度、铺层厚度对机翼动特性的影响。

图3 倾转旋翼机机翼前三阶模态振型  

图4 铺层角度对机翼固有频率的影响

机翼蒙皮铺层角度影响

基于机翼有限元模型，采用模态分析方法研究机翼蒙皮铺层角度变化对机翼固有频率的影响。改变机翼蒙皮第二层铺层的角度，分别采用以下三种不同的铺层角度设计：0°/90°/45°，研究机翼蒙皮铺层角度设计对机翼动特性的影响，结果如图4。

结果显示，机翼蒙皮第二层铺层角度设计为0°和90°时，倾转旋翼机机翼的垂向弯曲、弦向弯曲和扭转模态频率相同，未发生改变，表明复合材料铺层角度0°和90°时，复合材料铺层对于机翼的各向刚度贡献一致。机翼蒙皮第二层铺层角度设计为45°时，与0°相比，机翼的垂向和弦向弯曲频率小幅减小，扭转固有频率提升了8%，说明复合材料机翼蒙皮铺层角度45°时，复合材料铺层刚度的弯扭耦合特性有效地提高了机翼的扭转固有频率和扭转刚度。可见，利用复合材料刚度方向可设计性和弯扭耦合刚度特性进行机翼铺层角度优化设计，可在不改变机翼质量和气动外形设计的前提下，增强机翼扭转方向的刚度，达到提高扭转模态频率的目的。

机翼蒙皮铺层厚度影响

研究机翼蒙皮厚度对其固有频率的影响，结合上述分析结果，机翼局部或整体增厚，具体铺层方案及相应增重如下：

方案1：机翼整体蒙皮铺层增加1层，增重9kg;

方案2：机翼整体蒙皮铺层增加2层，增重18kg;

方案3：机翼根部蒙皮铺层增加3层，增重9kg;

方案4：机翼根部蒙皮铺层增加6层，增重18kg。

图5(a）为四种蒙皮增厚方案下机翼固有频率对比结果，图5(b）为机翼整体和根部分别增厚，机翼增重18kg的方案与原方案固有频率对比结果。

对比方案1和方案3，方案2和方案4，结果显示，复合材料机翼蒙皮增厚可以有效地提高机翼各阶固有频率。由图5(b）可见，方案4相比原方案的扭转固有频率提高了9%，方案2相比原方案的扭转固有频率提高了11.7%，证明了机翼蒙皮增厚对提高本设计方案的机翼扭转频率有效；同时，增重相同情况下，翼根增厚（方案4）能更有效地提升垂向弯曲和弦向弯曲模态频率，机翼整体增厚（方案2）比翼根增厚（方案4）对于扭转模态频率的提升效果更好。

图5 蒙皮增厚对机翼固有频率的影响  

结语

基于有限元方法和振动测试数据研究了倾转旋翼复合材料机翼动特性，然后通过复合材料构型设计，研究了铺层角和蒙皮厚度对机翼动特性的影响。

得出以下结论：

1）通过有限元分析结果和V-22倾转旋翼机振动测试结果对比可见，机翼的前三阶模态振型分别为垂向弯曲、弦向弯曲和扭转模态，前三阶模态分布与V-22倾转旋翼机振动测试模态一致，模态频率与其测试数据具有较好的一致性，表明所建立的倾转旋翼机机翼有限元分析结果的可靠性，模型具有较高的可信度；

2）复合材料构型设计分析表明，对于本文中的倾转旋翼机复合材料机翼设计方案，铺层角度优化设计可在不改变机翼质量和气动外形设计的前提下，实现机翼刚度优化设计，进而提升机翼的扭转刚度；机翼蒙皮增厚可有效地提高机翼刚度，进而提高垂向弯曲和弦向弯曲模态频率，尤其是提高了扭转模态频率。在增重相同情况下，机翼蒙皮整体增厚相比翼根局部增厚能够更有效地提高扭转频率，对扭转刚度影响显著；

3）研究表明机翼复合材料构型设计（包括复合材料铺层角度、厚度、顺序等）对于机翼动特性影响显著，进一步研究将通过“铺层角度+蒙皮厚度”的组合式优化获得理想的回转颤振边界裕度。

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