在如今，為了更好地預測機械零件的壽命，直升機行業已經開始越來越重視數字孿生技術的發展。因為可用于測量飛行期間載荷的傳感器數量有限，所以為了計算機械零件承受的所有載荷，則可以進行模擬仿真以進行補充。對于仿真計算來說，因為直升機動力學系統的復雜性，所以使用多體動力學的形式建立多個子系統的局部模型是有效的方法。本文將介紹某國外直升機主旋翼傾斜盤為研究對象創建數字孿生體的案例。

數字孿生是“實際物理產品的數字表示”。它將從產品中獲取的一些信息作為輸入數據，提供有關該產品在運行中的行為的附加信息。

在直升機工業中，數字孿生技術可以幫助我們更好地維護直升機動力系統。相對于傳統的直升機結構，動態系統包括槳葉、主旋翼、主齒輪箱、液壓傳動、發動機、尾槳和尾齒輪箱。這些系統通過運動學連接，將動力傳遞給葉片，以提供飛機的推力和升力。了解這些系統的機械部件在實際使用條件下所承受的載荷，將使公司能夠準確地知道部件的壽命和更換時間。

直升機在飛行狀態下，對大部分機械部件運行狀態的測量都會非常困難。比如，圖1照片中橙色的傳感器電纜數量眾多，體積龐大。由于直升機旋翼的動態運動，旋轉部件如變槳桿等部位，不容易安裝傳感器。即便安裝好，飛行過程中的維護也會非常困難。

這就是為什么引入數字孿生概念，它將有助于我們從系統中某些特定部位的傳感器數據，計算出其它大部分部件的實時荷載。作為構建數字孿生模型方法的一部分，使用多體動力學仿真，是因為它確實是計算機構關節處荷載和位移的方法之一。由于旋翼的研究需要能夠處理大位移的情況并考慮動力學效應，因此多體的形式具有很好的適應性。

圖1. 用于驗證的直升機主旋翼

考慮到系統的一些特性。從電機到葉片，所涉及的零件和系統非常多。我們必須將之細分為多個子系統，并初步建立相關的局部模型。下面介紹其中一個子系統，即主旋翼控制系統。

直升機動力學系統中某些結構或節點的非線性行為會嚴重影響多體模型的計算結果，例如，帶有彈性部件的節點通常用于主旋翼頂部作為超前-滯后阻尼器。它們的剛度和阻尼特性是非線性的，取決于位移和速度。另外如一些結構部件，如葉片，具有極大的柔性，它們所承受的載荷會與其運動中的形變會產生耦合。所以為了從多體模型中得到正確的結果，則必須考慮這些特性。

行業專家在對比了大量仿真結果和測試測量結果之間的差異后，提出了一個新的建模框架以改進動態直升機系統的一些負載預測。該框架使用有限元方法的非線性力學求解器搭建，并使用一種創建超單元的方法去對柔體建模，如葉片的截面。該方法通過模擬一個裝有葉片并在懸停狀態下旋轉的主旋翼進行了驗證。圖2可以觀察到葉片的旋轉位移，而且還確定了主旋翼載荷的分布，并與臺架試驗結果進行了比較。

圖2. 基于多體仿真的葉片位移計算

建立一個能夠有效模擬旋翼控制系統動態行為的數字孿生模型非常困難。傾斜盤，是一個將位移從“固定坐標系”切換到“旋轉坐標系”以控制葉片入射角的機構，也是數字孿生模型中最難處理的部分之一。

圖3所示的系統包括液壓傳動裝置、固定傾斜盤、主旋翼旋轉傾斜盤、傾斜盤之間的滾珠軸承、旋轉剪和固定剪、球面軸承和變槳桿。

固定傾斜盤的位置由液壓傳動桿控制。該傾斜盤被視為固定的，因為它不隨主旋翼桅桿旋轉。然而，它有一個給定的機動性，因為它可以沿著主齒輪箱（MGB）外殼滑動，并通過球面軸承繞垂直于桅桿的兩個軸旋轉。主旋翼旋轉傾斜盤與變槳桿相連。轉動配重與葉片相連。旋轉剪允許傾斜盤繞旋翼桅桿軸旋轉。滾珠軸承是兩個傾斜盤之間的連接關節。

圖3. 主旋翼控制機構

4.1 實驗數據的使用

將搭建的主旋翼數字孿生體與實驗臺架相連。如圖4所示，該臺架僅由屬于主旋翼控制機構的零件組成并可以設置成靜態載荷或者動態載荷。

通過臺架測量到的測量值可以用作數字孿生體的輸入。如前文所述，變槳桿和旋轉剪這兩個旋轉部件的載荷在飛行過程中無法測量，但現在可以借由數字孿生體仿真計算。之后可再與試驗臺的試驗結果進行比較。

圖4. 主旋翼臺架

4.2 傾斜盤的多體仿真

對于傾斜盤的數字孿生模型來說，需要考慮的首先是傾斜盤本身的靈活性，另外還有傾斜盤之間的雙排滾珠軸承（如圖5所示）。兩者的變形都會為主旋翼的載荷產生影響。

圖5. 傾斜盤側面透視圖

傾斜盤組件模型的完整示意圖如圖6所示。在這張圖中，模型呈現在一個徑向平面上，由以下元素組成：

-固定傾斜盤的超單元（黃色）：這個超單元反映了固定傾斜盤臂的靈活性

-旋轉傾斜盤的超單元（紫色）：軸承外圈是這個超單元的一部分

-被稱為“固定上部傾斜盤”（藍色）的剛體：通過鉸鏈關節與固定傾斜盤的超單元連接。

-剛性內環（綠色）與固定上部傾斜盤滑動連接。

-彈簧元件（紅色）。在每個滾珠的右側，一個彈簧連接外圈座圈的中心到內圈座圈的中心，表示滾珠和座圈之間的接觸剛度。

-連接到外圈（橙色）的剛性元件，將傾斜盤超單元的節點連接到外圈座圈的中心。

圖6. 傾斜盤組件模型圖

圖7是傾斜盤模型的全局視圖。右下角藍色框內放大了圓環中心之間的彈簧。

圖7. 傾斜盤模型全局視圖

4.3 結果和模型驗證

圖8展示了在給定的仿真時間內，數字孿生模型相關零件的位移量。

圖8. 主旋翼位移量 

對主旋翼系統進行臺架試驗，并與數字孿生系統的仿真結果進行比較。圖9顯示了軸向變槳桿載荷的演變。仿真結果與試驗結果的差距較小，驗證了所選方法的有效性。 

圖9. 臺架試驗中變槳桿的無量綱軸向載荷

參考文獻：D.Guivarch, E. Mermoz, Y Marino, M. Sartor，2019，Creation ofhelicopter dynamic systems digital twin using multibody simulations