馬敬志，范汪明

（總參謀部第六十研究所，江蘇 南京 210016）

某型無人直升機(jī)旋翼軸有限元分析

馬敬志，范汪明

（總參謀部第六十研究所，江蘇 南京 210016）

旋翼軸是無人直升機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，其安全與否直接關(guān)系到無人直升機(jī)的飛行情況?；贏NSYS軟件，計(jì)算某無人直升機(jī)旋翼軸在各組載荷下的應(yīng)力水平，在不同工況下得到最大應(yīng)力、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，分析其安全系數(shù)，滿足設(shè)計(jì)要求，為旋翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

無人直升機(jī)；旋翼軸；應(yīng)力；安全余度

無人直升機(jī)的旋翼軸是無人直升機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，它將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩傳遞給主旋翼系統(tǒng)，把旋翼槳葉上的氣動(dòng)載荷傳遞給旋翼傳動(dòng)軸和操縱系統(tǒng)。主軸的安全與否直接關(guān)系到無人直升機(jī)的飛行安全，軸使用的材料選擇關(guān)系到其強(qiáng)度及疲勞性能 。旋翼主軸在承受槳轂傳來的離心力的同時(shí)，還要承受非常大的交變揮舞和擺振彎矩。同大部分旋轉(zhuǎn)部件類似，旋轉(zhuǎn)交變的揮舞和擺振彎矩導(dǎo)致主軸的疲勞破壞，尤其是連接處的破壞，將嚴(yán)重威脅槳轂系統(tǒng)的飛行安全，同時(shí)槳轂系統(tǒng)的疲勞破壞會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)的墜毀或者地面人員傷亡，因此無人直升機(jī)主軸零件是否安全可靠直接影響到該型無人直升機(jī)的安全。

1 有限元建模及分析

1.1 建模情況

無人直升機(jī)槳轂組件如下圖1所示，為保證結(jié)構(gòu)的安全性，需要對(duì)該組件進(jìn)行強(qiáng)度校核。經(jīng)分析，該結(jié)構(gòu)的主要承力組件有槳葉快卸銷、槳葉安裝座、槳轂中心件和旋翼主軸。此處對(duì)主軸進(jìn)行校核。

圖1 某型無人直升機(jī)無鉸式槳轂組件圖

主軸是整個(gè)槳轂系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳遞到槳轂中心件，進(jìn)而傳遞給槳葉安裝座，最終傳遞到槳葉上。下端與齒輪箱相連，上端通過4個(gè)螺栓與槳轂中心件相連。為了方便載荷的施加，在主軸頂端附加一段槳轂中心件。

1.2 實(shí)體建模

在ANSYS軟件中可選用的實(shí)體單元中，六面體單元計(jì)算精度比四面體單元要高，特別是涉及到存在有應(yīng)力集中的區(qū)域，如孔邊等。由于主軸在螺栓孔處施加旋轉(zhuǎn)扭矩載荷時(shí)兩端的應(yīng)力幾乎等于零，可以忽略不計(jì)，因此有限元建模時(shí)忽略了主軸兩端一些網(wǎng)格劃分存在難度的的倒角結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了網(wǎng)格劃分的便利性忽略了孔處的倒角結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格劃分時(shí)，在 ANSYS軟件中將整個(gè)結(jié)構(gòu)分割成若干個(gè)小結(jié)構(gòu)，所以可以通過自適應(yīng)的網(wǎng)格劃分方法畫出需要的六面體型網(wǎng)格，采用solid45單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)287321個(gè)單元，286285個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3 計(jì)算方案及工況

主軸計(jì)算需要考慮4種工況：對(duì)稱俯沖拉起、垂直起飛、滾轉(zhuǎn)改出以及陣風(fēng)載荷。主軸主要承受4種載荷：旋翼升力Fl（垂直向上）、旋翼反扭矩Mz（與旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反）、前向力Fh（前向力，指向機(jī)頭）、俯仰力矩My（俯仰力矩，指向機(jī)體側(cè)向），各工況下的各力大小如表1所示。

表1 主軸上的作用力

將主軸的四個(gè)螺栓孔和槳轂中心件的4個(gè)螺栓孔通過MPC進(jìn)行連接，將槳轂中心件兩端截面的節(jié)點(diǎn)與截面中心點(diǎn)內(nèi)建立MPC，在主軸4個(gè)螺栓孔上按照投影原理施加集中力載荷Fl，在槳轂中心件兩端截面中心點(diǎn)施加等效于Mz和My的集中力Fz和Fy以及前向力載荷Fh。在槳轂中心件承受俯仰力矩和前向力時(shí)，槳轂中心件通過與主軸的接觸面進(jìn)行這些載荷的傳遞，而不是依靠中心件和主軸的4根螺栓進(jìn)行傳遞。由此可以看出，主軸上方四個(gè)螺栓孔僅承受槳葉升力和槳葉反扭矩，因此在上述4種工況下，主軸螺栓孔的受力情況基本一致。為了避免計(jì)算中接觸的設(shè)置帶來的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在模型計(jì)算中不設(shè)置槳轂中心件和主軸的接觸。

1.4 材料設(shè)置

主軸所使用的材料參數(shù)見表2材料屬性。

表2 材料屬性

2 計(jì)算結(jié)果

基于Catia模型文件，采用HyperMesh進(jìn)行幾何處理和單元?jiǎng)澐?，采用Ansys基于工況進(jìn)行加載計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 主軸不同方案、工況強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

旋翼軸選用的材料力學(xué)性能好壞對(duì)主軸的強(qiáng)度失效有著比較大的影響，在選取主軸材料時(shí)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制其屈服極限的分散性，即選用一些材料參數(shù)比較穩(wěn)定的材料，防止因?yàn)椴牧狭W(xué)性能分散性等原因而導(dǎo)致主軸結(jié)構(gòu)件的非預(yù)期失效。由旋翼軸有限元分析結(jié)果可見，材料的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度同時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到無人直升機(jī)強(qiáng)度規(guī)范所要求的安全系數(shù)，達(dá)到工程實(shí)際的需求，主軸設(shè)計(jì)合理可行。

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V275.1；V249.1

A

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