旋翼非定常载荷是直升机振动的主要来源,弹性桨叶在旋转过程中,既存在复杂的非定常气动载荷,也存在结构的弹性变形,二者相互耦合增加了旋翼气动和结构分析的难度,是旋翼气弹分析领域的研究重点。为了降低复合材料旋翼的结构振动载荷,需要对桨叶进行结构优化设计,为此,本文从三个方面入手:考虑桨叶弹性的气动及结构载荷分析、桨叶结构的参数化模型方法和优化设计方法。主要内容包括:第一章,介绍了本文的研究背景和意义,对旋翼结构载荷优化分析中用到的旋翼CFD/CSD耦合分析方法、复合材料桨叶参数化建模方法以及旋翼动力学优化方法进行了介绍,总结了本文将要开展的工作。第二章,建立了旋翼运动嵌套网格生成方法和旋翼流场数值模拟方法。采用了“扰动衍射”方法和Inverse-map方法,提高了嵌套网格挖洞和贡献单元搜索的效率;采用代数方法进行了网格变形处理。针对旋翼非定常气动载荷计算,基于可压RANS方程和一方程S-A湍流模型建立了旋翼CFD方法,采用高阶ROE-MUSCL格式提高了CFD分析精度,采用OpenMP进行并行加速。选择UH-60A旋翼和Caradonna-Tung旋翼进行算例验证,表明了本文CFD方法的有效性。第三章,建立了旋翼结构动力学分析方法以及CFD/CSD耦合分析方法。针对弹性桨叶,基于中等变形梁理论、Hamilton原理和有限元方法建立了桨叶运动方程,采用了Newmark-Beta方法和力积分法进行桨叶弹性响应和结构载荷的计算。建立了旋翼CFD与CSD分析的松耦合策略,旋翼每旋转一周进行耦合信息交换,兼顾了计算精度与效率。选择SA349/2和UH-60A桨叶进行了算例验证,表明了本文结构动力学分析方法以及CFD/CSD耦合方法的有效性。第四章,针对C型梁构型复合材料桨叶,基于部件的参数化定义,建立了截面的参数化建模方法和截面特性分析方法,提高了对桨叶真实结构的模拟能力,并提高了桨叶结构建模与截面分析的效率。选择不同结构设计方案的桨叶截面进行建模,验证了本文参数化建模方法的有效性和鲁棒性,对盒型梁进行了算例分析,验证了VABS截面特性分析的可靠性。第五章,建立了优化设计方法,并将其应用到旋翼结构设计和旋翼结构载荷优化中。基于拉丁超立方试验设计方法和径向基函数(RBF)近似模型建立了代理模型方法用于提高优化效率。将代理模型方法、桨叶截面参数化建模方法和多种群遗传算法结合,首先通过优化截面定位参数获得了基准桨叶的设计方案,随后以桨叶蒙皮和Z型梁的厚度和铺层角作为优化变量,对桨叶悬停状态的4/rev桨毂载荷进行了优化,获取了优化桨叶的结构设计方案。与基准桨叶相比,优化桨叶的4/rev桨毂载荷明显降低。第六章,总结了本文的研究内容、结论以及本文创新点,展望了未来的研究工作。