馬敬志  范汪明  邵  松  姜年朝

中國人民解放軍總參謀部第六十研究所

江蘇 南京 210016

摘  要：主旋翼操縱系統(tǒng)是直升機(jī)的關(guān)鍵部件，其線剛度直接關(guān)系到無人直升機(jī)的飛行安全。現(xiàn)基于有限元分析方法，采用ANSYS軟件計算了某型無人直升機(jī)主旋翼操縱系統(tǒng)的線剛度，為主旋翼系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無人直升機(jī)；操縱系統(tǒng)；線剛度

0  引言

無人直升機(jī)主旋翼操縱系統(tǒng)包括舵機(jī)系統(tǒng)、自動傾斜器系統(tǒng)、防扭臂組件及推拉桿組件等。采用外置式操縱系統(tǒng)，自動傾斜器分為動環(huán)和不動環(huán)，分別用于連接變距拉桿和主舵機(jī)。操縱過程中，主舵機(jī)通過推、拉不動環(huán)，動環(huán)推、拉變距拉桿，進(jìn)而驅(qū)動旋翼系統(tǒng)完成總距及周期變距操縱。操縱系統(tǒng)作為重要組件，將舵機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動控制槳轂進(jìn)而操縱主旋翼。操縱系統(tǒng)的安全與否直接關(guān)系到直升機(jī)的安全飛行，材料的選擇關(guān)系到其線剛度及疲勞性能的好壞^[1]，要承受較大的交變載荷^[2-3]。與所有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)一樣，旋轉(zhuǎn)交變載荷導(dǎo)致操縱組件的塑性變形及疲勞斷裂，尤其是連接處的斷裂，嚴(yán)重威脅槳轂的使用安全，而且疲勞斷裂會導(dǎo)致直升機(jī)墜毀^[3-4]，同時操縱系統(tǒng)的線性剛性與旋翼顫振直接相關(guān)，會引起直升機(jī)的氣彈穩(wěn)定性問題，所以操縱系統(tǒng)線剛度的設(shè)計是否滿足設(shè)計要求直接關(guān)系到直升機(jī)的飛行安全。

1  有限元建模及分析

1.1  建模方法

某型無人直升機(jī)主槳轂操縱系統(tǒng)組件的幾何模型如圖1所示，幾個主要部分通過螺栓、軸承連接而成，部分局部連接部件如圖2所示。由于連接部件過于復(fù)雜，且本文研究的重點(diǎn)不是局部細(xì)微的應(yīng)力、應(yīng)變情況，因此對該幾何模型進(jìn)行了簡化處理，如圖3所示。

1.2  實體建模

在ANSYS軟件中可供選用的solid單元中，四面體單元不如六面體單元計算精度高，特別是涉及小孔邊緣等應(yīng)力集中區(qū)域^[5-6]。由于主軸在小孔處施加扭矩時兩端的應(yīng)力幾乎為零，因此建模時忽略了一些影響網(wǎng)格劃分的倒角，同時為了方便網(wǎng)格劃分忽略了加載孔處的倒角。劃分網(wǎng)格時，在ANSYS軟件中將實體模型分割成若干個小實體，從而可以通過自適應(yīng)網(wǎng)格劃分出需要的六面體網(wǎng)格，采用solid45單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4、圖5所示，共計553 629個單元、148 679個節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)其幾何連接關(guān)系，對各部件連接做以下處理：舵機(jī)推桿和桿端軸承通過CP連接、桿端軸承和不動環(huán)、桿端軸承和動環(huán)通過中心節(jié)點(diǎn)建立MPC單元進(jìn)行連接；在動環(huán)中建立中心節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系約束其內(nèi)壁，使其在主軸上轉(zhuǎn)動和滑動，具體如圖4所示。在兩個變距拉桿中心各施加1 000 N集中力。

1.3  材料設(shè)置

操縱系統(tǒng)組件材料參數(shù)具體如表1所示。

2  計算結(jié)果

基于Catia模型文件，采用HyperMesh進(jìn)行幾何處理和單元劃分，采用ANSYS軟件基于工況進(jìn)行加載計算，計算結(jié)果如表2所示。結(jié)構(gòu)整體位移云圖如圖6所示。

3  結(jié)語

本文基于有限元分析方法，對某型無人直升機(jī)主旋翼操縱系統(tǒng)的線剛度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，針對主旋翼操縱系統(tǒng)的選材符合主旋翼操縱系統(tǒng)線剛度的設(shè)計要求，能滿足工程實際需要，同時操縱系統(tǒng)的選材對操縱系統(tǒng)線剛度的影響比較大，在選取材料時應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制其應(yīng)變，防止因材料參數(shù)不符合要求而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。

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作者簡介：

馬敬志（1983—），男，江蘇新沂人，碩士

研究方向：

直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化分析

來源：機(jī)電信息雜志