倾转旋翼无人机悬停状态气动弹性数值模拟

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2025.03.007

摘要/Abstract

摘要：

倾转旋翼无人机既具有空中悬停、垂直起降能力，又具备高速巡航飞行性能。针对弹性材料结构变形导致倾转旋翼无人机刚体气动外形无法准确模拟真实飞行性能的问题，提出一种旋翼双向松耦合与机翼单向耦合相结合的CFD/CSD耦合方法，对倾转旋翼无人机悬停状态气动弹性问题进行数值模拟。采用气动弹性剪裁技术对桨叶进行复合材料铺层优化，桨叶的最大变形位移从22.34 mm减小到17.1 mm，悬停效率从69.95%改善到72.69%。对全机流场进行计算模拟，计算结果表明，考虑结构弹性变形以后，全机旋翼系统产生的拉力相较于单独旋翼系统增加量由2.09%降低为1.18%，变形机翼表面因为旋翼下洗流产生的高压区相较于未变形机翼朝翼梢方向偏移大约0.1 m。

关键词: 倾转旋翼无人机, 气动弹性, 气动弹性剪裁, 悬停效率, 气动干扰, CFD/CSD耦合

Abstract:

The tiltrotor UAV has both hovering and vertical takeoff and landing capabilities in the air， as well as high speed cruise performance. Aiming at the problem that the rigid aerodynamic shape of a tiltrotor UAV cannot accurately simulate the real flight performance due to the structural deformation of the elastic material， a CFD/CSD coupling method combining rotor bi-directional loose coupling and wing unidirectional coupling is proposed to numerically simulate the aeroelastic problem of tiltrotor UAV in hover state. Using aeroelastic tailoring to optimize the composite layer of the blade， the maximum deformation displacement of the blade is reduced from 22.34 mm to 17.1 mm， and the hovering efficiency is improved from 69.95% to 72.69%. Computational simulations are conducted on the entire aircraft flow field， and the results show that after considering structural elastic deformation， the increase in thrust generated by the entire aircraft rotor system compared to the individual rotor system decreases from 2.09% to 1.18%. The high-pressure zone generated by the rotor downwash on the deformed wing surface shifts approximately 0.1m towards the wing tip direction compared to the undeformed wing.

Key words: tiltrotor UAV, aeroelasticity, aeroelastic tailoring, hover efficiency, aerodynamic interference, CFD/CSD coupling method

中图分类号:

V211.52

王宗辉, 赵弘睿, 杨云军, 汪艳伟. 倾转旋翼无人机悬停状态气动弹性数值模拟[J]. 现代防御技术, 2025, 53(3): 57-65.

Zonghui WANG, Hongrui ZHAO, Yunjun YANG, Yanwei WANG. Aeroelastic Simulation of Tiltrotor Unmanned Aerial Vehicle in Hover[J]. Modern Defense Technology, 2025, 53(3): 57-65.

图/表 18

图1 倾转旋翼无人机气动外形

Fig. 1 Aerodynamic shape of tiltrotor UAV

表1 无人机外形及飞行工况参数

Table 1 Size and flight condition parameters of UAV

参数	数值
旋翼翼型	NACA64118/OA212
旋翼系统桨叶数量 $N$	2
旋翼旋转半径 $R$ /m	1.6
旋翼转速 $n$ /（r·min^-1）	1 000
旋翼桨距角 $θ 0.75 R$ /（°）	11
机翼平均弦长 $c$ /m	0.726
机翼面积 $S$ /m²	2.5
机翼安装角 $i w$ /（°）	0
悬停状态飞行高度 $H$ /km	0

表1 无人机外形及飞行工况参数

Table 1 Size and flight condition parameters of UAV

参数	数值
旋翼翼型	NACA64118/OA212
旋翼系统桨叶数量 $N$	2
旋翼旋转半径 $R$ /m	1.6
旋翼转速 $n$ /（r·min^-1）	1 000
旋翼桨距角 $θ 0.75 R$ /（°）	11
机翼平均弦长 $c$ /m	0.726
机翼面积 $S$ /m²	2.5
机翼安装角 $i w$ /（°）	0
悬停状态飞行高度 $H$ /km	0

图2 嵌套网格系统

Fig. 2 Nesting grid

图3 某无人机固定翼计算模型

Fig. 3 Calculation model for fixed wings of an UAV

图4 振型对比

Fig. 4 Comparison of vibration modes

表2 试验与仿真振型结果对比

Table 2 Comparison of experimental and simulation vibration mode results

固有频率仿真结果 $f$ /Hz	固有频率试验结果 $f$ /Hz	振型
4.40	3.88	面外1弯
12.87	11.62	面内1弯
15.37	13.02	面外2弯
45.75	44.27	面内2弯
70.35	81.45	1扭
66.10	70.97	2扭

表2 试验与仿真振型结果对比

Table 2 Comparison of experimental and simulation vibration mode results

固有频率仿真结果 $f$ /Hz	固有频率试验结果 $f$ /Hz	振型
4.40	3.88	面外1弯
12.87	11.62	面内1弯
15.37	13.02	面外2弯
45.75	44.27	面内2弯
70.35	81.45	1扭
66.10	70.97	2扭

表3 材料物理参数

Table 3 Material physical parameters

材料	弹性模量 $E$ / MPa	密度 $ρ$ / （t·m^-3）	泊松比	单层厚度 $h$ /mm
碳纤维单向带CCF300	E₁₁=135 500	1.6E-9	0.28	0.125
	E₂₂=8 700
	E₁₂=3 200
碳纤维织物 W3011	E₁₁=60 000	1.6E-9	0.14	0.21
	E₂₂=60 000
	E₁₂=4 470
泡沫	109	5.1E-11	0.3
2A12	70 000	2.8E-9	0.3

表3 材料物理参数

Table 3 Material physical parameters

材料	弹性模量 $E$ / MPa	密度 $ρ$ / （t·m^-3）	泊松比	单层厚度 $h$ /mm
碳纤维单向带CCF300	E₁₁=135 500	1.6E-9	0.28	0.125
	E₂₂=8 700
	E₁₂=3 200
碳纤维织物 W3011	E₁₁=60 000	1.6E-9	0.14	0.21
	E₂₂=60 000
	E₁₂=4 470
泡沫	109	5.1E-11	0.3
2A12	70 000	2.8E-9	0.3

图5 桨叶与固定翼结构设计

Fig. 5 Structural design of blades and fixed wing

图6 桨叶与固定翼有限元网格

Fig. 6 Finite element mesh of blades and fixed wing

图7 倾转旋翼无人机气动弹性计算流程图

Fig. 7 Flow chart of aeroelasticity calculation for tiltrotor UAV

表4 桨叶蒙皮铺层方案 (°)

Table 4 Blade skin layering scheme

V1	优化方案
V1	1	2	3	4	5	6	7
0	0	45	45	0	45	0	0
45	45	-45	90	45	-45	90	45
-45	0	0	90	0	45	0	0
90	0	90	-45	45	-45	90	90

表5 桨叶内部单向带铺层方案 (°)

Table 5 Layering scheme of unidirectional strip inside the blade

V1	优化方案
V1	A	B	C	D
0	0	45	0	0
45	0	-45	45	45
-45	45	0	-45	0
45	45	0	0	45
0	-45	45	0	0
45	-45	-45	45	45
-45	90	0	-45	0
45	90	0	0	45
0	0	45	0	0
45	0	-45	45	45
-45	45	0	-45	0
45	45	0	0	45
0	-45	45	0	0
45	-45	-45	45	45
-45	90	0	-45	0

表6 桨叶变形与气动性能

Table 6 Blade deformation and aerodynamic performance

参数	V0	V1	V2
最大变形 $U$ /mm		22.34	17.10
最大扭转角 $θ$ /（°）		0.032	0.025
旋翼拉力 $T$ /N	2 297	2 105	2 203
旋翼扭矩 $Q$ /（N·m）	314	297	306
功率 $P$ /kW	32.90	31.10	32.04
悬停效率/%	75.34	69.95	72.69

表6 桨叶变形与气动性能

Table 6 Blade deformation and aerodynamic performance

参数	V0	V1	V2
最大变形 $U$ /mm		22.34	17.10
最大扭转角 $θ$ /（°）		0.032	0.025
旋翼拉力 $T$ /N	2 297	2 105	2 203
旋翼扭矩 $Q$ /（N·m）	314	297	306
功率 $P$ /kW	32.90	31.10	32.04
悬停效率/%	75.34	69.95	72.69

图8 旋翼桨尖部分压力分布

Fig. 8 Pressure distribution at the tip of blade

图9 机翼计算模型及计算结果

Fig. 9 Calculation model and result of wing

表7 悬停状态机翼与旋翼气动力

Table 7 Wing and rotor aerodynamic forces in hover

参数	V0	V2
旋翼拉力 $T$ /N	2 345	2 229
机翼升力 $L 1$ /N	-324	-301
合升力 $L$ /N	2 021	1 928

表7 悬停状态机翼与旋翼气动力

Table 7 Wing and rotor aerodynamic forces in hover

参数	V0	V2
旋翼拉力 $T$ /N	2 345	2 229
机翼升力 $L 1$ /N	-324	-301
合升力 $L$ /N	2 021	1 928

图10 悬停状态非定常流场气动力计算

Fig. 10 Unsteady flow field calculation in hover

图11 固定机翼段表面压力分布对比

Fig. 11 Surface pressure distribution on wing

参考文献 21

1	王适存. 直升机空气动力学［M］. 南京：航空专业教材编审组， 1985.
	WANG Shicun. Helicopter Aerodynamics［M］. Nanjing： Aviation Professional Textbook Editing and Review Team， 1985.
2	LI Zhiquan， XIA Pinqi. Aeroelastic Stability of Full-span Tiltrotor Aircraft Model in Forward Flight［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2017， 30（6）： 1885-1894.
3	LI Z， XIA P. Aeroelastic Modelling and Stability Analysis of Tiltrotor Aircraft in Conversion Flight［J］. The Aeronautical Journal， 2018， 122（1256）： 1606-1629.
4	SAVINO A， COCCO A， ZANOTTI A， et al. Coupling Mid-fidelity Aerodynamics and Multibody Dynamics for the Aeroelastic Analysis of Rotary-Wing Vehicles［J］. Energies， 2021， 14（21）： 6979.
5	YEO H， KANG Hao， KRESHOCK A R. Unified Modeling of the Tiltrotor Aeroelastic Stability Testbed for Proprotor Whirl Flutter［J］. Journal of Aircraft， 2023， 60（3）： 857-869.
6	BELARDO M， MARANO A D， BERETTA J， et al. Wing Structure of the Next-generation Civil Tiltrotor： From Concept to Preliminary Design［J］. Aerospace， 2021， 8（4）： 102.
7	MARANO A D， DIODATI G， PALETTA N， et al. Structural Scalability Preliminary Studies for the Next Generation Civil Tiltrotor Composite Wing［J］. Aerospace， 2023， 10（5）： 478.
8	MARANO A D， BELARDO M， BERETTA J， et al. Aeroelastic Tailoring of the Next Generation Civil Tiltrotor Technological Demonstrator Composite Wing［J］. Aerospace， 2022， 9（7）： 335.
9	邓旭东，胡和平. 倾转旋翼机螺旋颤振稳定性研究［J］. 空气动力学学报， 2018， 36（6）： 1041-1046.
	DENG Xudong， HU Heping. Study on Whirl-Flutter Stability of a Tiltrotor Aircraft［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2018， 36（6）： 1041-1046.
10	张斌. 短舱外伸小翼对倾转旋翼机回转颤振抑制规律研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2018.
	ZHANG Bin. Research on the Rules of Pylon Outboard Wing Extensions Suppressing on Tiltrotor Aircraft Whirl Flutter［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2018.
11	杨超，邱祈生，周宜涛，等. 飞机阵风响应减缓技术综述［J］. 航空学报， 2022， 43（10）： 208-248.
	YANG Chao， QIU Qisheng， ZHOU Yitao， et al. Review of Aircraft Gust Alleviation Technology［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（10）： 208-248.
12	XIAO Zhongyun， MOU Bin， JIANG Xiong， et al. Computational Aeroelastic Method for Rotor Based on MBDYN［J］. International Journal of Modern Physics B， 2020， 34（14n16）： 2040077.
13	YU Peng， HU Zhiyuan， XU Guohua， et al. Numerical Simulation of Tiltrotor Flow Field During Shipboard Take-off and Landing Based on CFD-CSD Coupling［J］. Aerospace， 2022， 9（5）： 261.
14	YU Peng， HU Zhiyuan， HU Jiaxun， et al. Numerical Studies on the Aeroelasticity of a Shipboard Helicopter Rotor During Engagement and Disengagement with Ship Motions Using CFD/CSD Coupling Approach［J］. Aerospace Science and Technology， 2023， 141： 108559.
15	马砾，招启军，赵蒙蒙，等. 基于CFD/CSD耦合方法的旋翼气动弹性载荷计算分析［J］. 航空学报， 2017， 38（6）： 53-66.
	MA Li， ZHAO Qijun， ZHAO Mengmeng， et al. Computation Analyses of Aeroelastic Loads of Rotor Based on CFD/CSD Coupling Method［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（6）： 53-66.
16	余智豪，虞志浩，李赟，等. 直升机旋翼前飞状态下的气动弹性分析［J］. 科学技术与工程， 2018， 18（11）： 332-336.
	YU Zhihao， YU Zhihao， LI Yun， et al. Aeroelastic Analysis of Helicopter Main Rotor in Forward Flight［J］. Science Technology and Engineering， 2018， 18（11）： 332-336.
17	田嘉劲. 直升机旋翼气弹建模与桨-涡干扰ACF控制技术研究［D］. 上海：上海交通大学， 2019.
	TIAN Jiajin. Rotor Aeroekastic Modeling and Investigation on Blade-Vortex Interaction Control with Actively Controlled Flaps［D］. Shanghai： Shanghai Jiaotong University， 2019.
18	ZHAO Guoqing， ZHAO Qijun， LI Peng， et al. Parametric Analyses for Effects of RPM and Diameter on Tiltrotor Aerodynamic Performances in Hovering and Cruise Mode［J］. International Journal of Aeronautical and Space Sciences， 2021， 22（3）： 479-488.
19	ZANOTTI A， SAVINO A， PALAZZI M， et al. Assessment of a Mid-fidelity Numerical Approach for the Investigation of Tiltrotor Aerodynamics［J］. Applied Sciences， 2021， 11（8）： 3385.
20	孙凯军，张碧辉，付义伟，等. 悬停状态倾转旋翼机非定常气动干扰研究［J］. 航空工程进展， 2019， 10（6）： 744-749.
	SUN Kaijun， ZHANG Bihui， FU Yiwei， et al. Research on Unsteady Aerodynamic Interference for the Tiltrotor Aircraft in Hover［J］. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2019， 10（6）： 744-749.
21	招启军，倪同兵，李鹏，等. 倾转旋翼机流动机理及气动干扰特性试验［J］. 航空动力学报， 2018， 33（12）： 2900-2912.
	ZHAO Qijun， NI Tongbing， LI Peng， et al. Experiment on Flow Mechanism and Aerodynamic Interaction Characteristics of Tilt-Rotor Aircraft［J］. Journal of Aerospace Power， 2018， 33（12）： 2900-2912.

[1]	王宗辉, 杨云军, 赵弘睿, 赵佳祥. 倾转机翼旋翼无人机倾转过渡状态数值模拟[J]. 现代防御技术, 2024, 52(3): 9-19.
[2]	吕铁钢, 陈国光. 变体飞行器的运动学特性研究[J]. 现代防御技术, 2021, 49(6): 36-42.