[发明专利]一种压电复合材料直升机桨叶结构及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于直升机动力学领域，具体涉及一种压电复合材料直升机桨叶结构及其控制方法，可用于直升机旋翼桨叶设计及制造。

背景技术

直升机以其独特的垂直起降和空中悬停的能力，能够完成固定翼飞机无法完成的任务，在国防和民用方面得到了广泛的使用。但是过高的振动水平严重影响了乘员的乘坐品质、结构部件的疲劳寿命、机载设备的正常工作，已经成为限制直升机使用的最大障碍。因此减振降噪是直升机研究与设计的重要内容之一。

传统的减振方法主要采用被动式的吸振或隔振装置，但导致重量增加、维护成本上升，已经不能满足新一代直升机对减振性能的要求了。九十年代出现了主动减振控制，包括高阶谐波控制和单片桨叶独立控制，但是早期的主动控制技术在实现减振的同时也带了一些负面影响，如增加结构重量、气动阻力、能量消耗过大、动力装置复杂等。直升机旋翼桨叶结构的材料、分析模型和控制方法等均会对直升机旋翼系统动力学特性产生重要影响。为了不断提高直升机性能，降低直升机振动水平，提高乘员舒适性和机载设备的可靠性。如何采用更为有效的旋翼桨叶结构、并建立准确的模型以及如何选择控制方法成为了重要的问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出了一种采用压电材料的直升机旋翼桨叶结构，并提出了对应的模型建立方法以及减振控制方法。

直升机旋翼桨叶结构将压电复合材料埋置在旋翼桨叶的复合材料层合结构中，通过电压控制压电复合材料变形能够控制桨叶的变形大小，而通过对其施加电信号产生的应力能够控制桨叶内部应力大小和分布规律，本发明所提出的旋翼桨叶结构不但能够改善桨叶的气动环境，改变旋翼桨叶内部的应力大小与分布，还能够实现减振、降低噪声，进而提高直升机性能和使用寿命。

本发明所提出来的分析模型基于结构模型、气动力模型和压电复合材料模型等，能够准确描述旋翼桨叶的运动规律，进而准确计算旋翼桨叶的动力学特性。本发明提出的采用控制器对旋翼桨叶进行控制，采用Kalman观测器获得白噪声干扰情况下的旋翼桨叶数据，并将其作为控制的输入变量，进而通过控制器对压电复合材料的输入电压进行控制，最终达到控制桨叶动力学响应和变形的目的。

以下对本发明所采用的技术方案做进一步描述：

一种压电复合材料直升机桨叶结构，桨叶的复合材料层中设置有压电复合材料，所述压电复合材料设置区域距离桨叶前缘和尾缘一定距离；其中，压电复合材料区域起始点距离前缘端部位置不小于0.001倍的桨叶弦长；通过控制改变压电复合材料电压，控制桨叶变形和桨叶内部应力大小和分布情况，进而实现对桨叶振动和噪声的控制。

进一步的，所述压电复合材料区域终点设置于腹板与翼型表面连接处。

进一步的，所述压电复合材料设置区域贯穿于旋翼桨叶翼梁和蒙皮结构，其中区域终止位置为腹板与后缘之间的整流罩蒙皮中。

进一步的，所述的压电复合材料结构沿弦长方向可以由一段或者几段具有压电复合材料的层合结构组成，每一段均具有不同的铺层角度或者厚度。

进一步的，所述压电复合材料设置区域在展向上为整段或分段结构，其中每一段均采用电压独立控制。

一种如上述所述的压电复合材料直升机桨叶结构的模型建立方法及其控制方法，包括以下步骤：

步骤一，建立压电复合材料旋翼桨叶结构的分析模型，其中包括:

①建立结构模型

②建立气动力模型

③建立驱动系统模型

④对模型方程进行求解

步骤二，观测旋翼桨叶的变形、振动和噪声等信息，根据步骤一中的分析模型对旋翼桨叶进行分析，将旋翼桨叶的变形、振动和噪声等信息传输给控制器，控制器通过求解最小化价值函数实现对旋翼桨叶系统的控制，并且通过调整桨叶能量和控制输入两部分，从而可以实现不同控制效果。

步骤三，监控控制后的桨叶变形、内部应力大小和分布、振动和噪声等情况，并反馈给控制器，由步骤二中的控制方法重新调整控制参数，不但可以达到最佳的控制效果，还可以实现在直升机运动过程中实时稳定的对旋翼桨叶进行控制。

进一步的，步骤二和步骤三中采用了考虑白噪声干扰的Kalman观测器处理桨叶应力、变形、振动等信息，并将获得的观测数据作为控制器的输入数据，进而针对桨叶输出合理的控制电压。

本发明的优点在于：

1)相对于传统的直升机旋翼桨叶控制方法，本发明所提出的压电材料直升机旋翼结构具有重量轻、结构简单等优点。