(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111457289.6 (22)申请日 2021.12.02 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 113868779 A (43)申请公布日 2021.12.31 (73)专利权人 中国空气动力研究与发展中心计 算空气动力研究所 地址 621052 四川省绵阳市涪城区二环路 南段6号 (72)发明人 马率　刘钒　肖中云　王建涛　 张露　崔兴达　王子维　郭永恒　 陈波　 (74)专利代理 机构 成都九鼎天元知识产权代理 有限公司 51214 代理人 张杰 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/28(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (56)对比文件 KR 201401 14174 A,2014.09.26 CN 109843712 A,2019.0 6.04 CN 10939541 1 A,2019.0 3.01 CN 109190232 A,2019.01.1 1 Ruiz-Calavera,L.P.等.CFD based aeroelastic calculati on of propel ler loads. 《28th co ngress of the i nternati onal council of the aero nautical sciences》 .2012, 赵国庆.直升 机旋翼非定常动态失速的CFD 模拟及其主动流动控制研究. 《中国博士学位 论 文全文数据库 (工程科技 Ⅱ辑)》 .2016,(第12 期), 鲁坦.飞机 螺旋桨桨叶保护罩脱落轨 迹分 析. 《军民两用技 术与产品》 .2018,(第18 期), 审查员 刘晓丹 (54)发明名称 基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞 脱安全评估方法 (57)摘要 本发明提供一种基于多学科耦合仿真的螺 旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法， 包括： 输入动 力学参数、 重叠网格、 以及流场CFD计算参数； 基 于输入的参数， 在多学科耦合分析框架下完成桨 叶滑流非定常流场计算， 得到桨叶飞脱初始位置 下的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动 力学参数； 基于桨叶飞脱初始位置下的桨叶滑流 非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数在多 学科耦合分析框架下完成桨叶飞脱非定常流场 计算， 获得不同时刻桨叶飞脱的动力学参数并判 断飞脱的桨叶是否与飞机其他部件发生碰撞。 本 发明提出多学科耦合分析框架实现桨叶飞脱工 况模拟和动力学仿真安全计算， 能够准确计算桨叶运动参数； 并且实现了飞脱桨叶与其他部件的 自动碰撞检测能力。 权利要求书2页 说明书8页 附图9页 CN 113868779 B 2022.02.11 CN 113868779 B 1.一种基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法， 其特征在于， 包括 如下步骤： 步骤S1， 初始化阶段： 输入动力学参数、 机体 ‑桨叶重叠网格、 以及流场CFD计算 参数； 步骤S2， 滑流计算阶段： 基于动力学参数、 机体 ‑桨叶重叠 网格、 以及流场 CFD计算参数， 在多学科耦合分析框架下完成桨叶滑流 非定常流场计算， 得到桨叶飞脱初始 位置的桨叶滑 流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数； 步骤S3， 桨叶飞脱阶段： 基于桨叶飞脱初始位置的桨叶滑流非定常瞬时流场以及飞脱 桨叶动力学参数， 在多学科耦合分析框架下完成桨叶飞脱过程的非定 常流场计算和多体动 力学计算的耦合计算， 得到桨叶飞脱非定常流场， 获得桨叶飞脱过程中不同时刻的动力学 参数并判断飞脱的桨叶是否与飞机其 他部件发生碰撞； 步骤S1包括： (1)向多体动力学计算模块输入桨叶旋转和桨叶飞脱的动力学参数； (2)向动态并行重 叠网格模块输入机体 ‑桨叶重叠网格完成重 叠网格插值关系装配； (3)向URANS并行非定常CFD求解器输入流场 CFD计算参数， 包括定常初始流场及其流场 初始化参数； 步骤S2包括： (1)多体动力学计算模块根据输入的桨 叶旋转的动力学参数， 在多学科耦合分析框架 下进行多体动力学计算， 实现桨叶的约束旋转运动， 得到飞脱桨叶和正常旋转桨叶的运动 参数； (2)动态并行重叠网格模块根据输入的机体 ‑桨叶重叠网格以及飞脱桨叶和正常旋转 桨叶的运动参数寻找桨叶网格与机体网格的动态插值关系， 分别得到各正常旋转桨叶的动 态插值边界； (3)URANS并行非定常CFD求解器通过动态插值边界完成桨叶网格与机体网格的流场信 息交换， 并在多学科耦合分析框架下对定常初始流场完成桨叶滑流非定常流场计算， 得到 桨叶滑流非定常流场， 并获得收敛状态下 的桨叶滑流非定常瞬时流场以及动力学参数， 此 时的桨叶滑流非定 常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数， 即为桨叶飞脱初始 位置下的桨叶 滑流非定常瞬时流场以及飞脱桨叶动力学参数， 并将其作为桨叶飞脱阶段的非定常流场计 算和多体动力学计算的耦合计算的初始条件； 步骤S3包括： (1)多体动力学计算模块解除桨叶飞脱 的旋转约束， 并根据步骤S1输入的桨叶飞脱的 动力学参数以及步骤S2计算得到的桨叶飞脱初始位置下 的飞脱桨叶动力学参数进行多体 动力学计算， 实现桨叶飞脱的六自由度运动， 得到飞脱桨叶运动参数， 此过程中正常旋转桨 叶仍然保持旋转约束； (2)动态并行重叠网格模块根据输入的机体 ‑桨叶重叠网格以及飞脱桨叶不同时刻运 动参数和 正常旋转桨叶此刻的旋转角度， 来寻找桨叶网格与机体网格的动态插值关系， 得 到飞脱桨叶和正常旋转桨叶的动态插值 边界； (3)URANS并行非定常CFD求解器通过动态插值边界完成桨叶网格与机体网格的流场信 息交换， 并在多 学科耦合分析框架下从桨叶飞脱初始位置下的滑流流场开始完成桨叶飞脱 过程中不同时刻的流场计算， 获得不同时刻桨叶飞脱的动力学参数并判断飞脱的桨叶是否权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 113868779 B 2与飞机其 他部件发生碰撞。 2.根据权利要求1所述的基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法， 其特征在于， 所述多学 科耦合分析框架是指： (1)建立多体约束系统的动力学微分 ‑代数方程组进行非定常流场计算和多体动力学 计算的耦合计算； (2)在非定常流场计算和多体动力学计算的耦合计算中， 在一个非定常流场计算时间 步长内完成多步连续的多体动力学计算； (3)在非定常流场计算和多体动力学计算的耦合计算中， 进行四元数与欧拉角的相互 转换。 3.根据权利要求2所述的基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法， 其特征在于， 所述多体约束系统的动力学微分 ‑代数方程组为： 其中， 为微分‑代数方程； 为广义坐标 q和系统约束代数方程组的拉格朗日乘 子λ构成的待求解向量； 代表第n+1个时间步的待求解 向量； 为多体动力 学常微分方程组； 为系统约束代数方程组， 其为广义坐标 q， 广义速度 和时间t 的函数；M为多体系统质量矩阵； 为广义加速度； 为系统约束代数方程组对广义坐标 的 偏导数矩阵的转秩， Q为外载荷力。 4.根据权利要求3所述的基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法， 其特征在于， 步骤S 3中基于射线求交法实现飞脱的桨叶是否与飞机其他部件发生碰撞的自 动检测。 5.根据权利要求4所述的基于多学科耦合仿真的螺旋桨飞机桨叶飞脱安全评估方法， 其特征在于， 所述基于射线求交法实现飞脱的桨叶是否与飞机其他部件发生碰撞的自动检 测的方法为： 基于几何光学原理， 将飞脱的桨叶物面上的网格点P取做视点， 通过模拟光的 传播路径， 对网格点P与飞机其它部件面C上的每个小面元进行求交运算， 以此来确定网格 点P与面C的交点个数， 若交点为奇数， 则网格点P位于面C内， 说明飞脱的桨叶物 面上的该网 格点P与其它部件发生碰撞； 遍历整个飞脱的桨叶物面， 则能判断飞脱桨叶是否与飞机其它 部件发生碰撞。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 113868779 B 3