袁 峰，張鵬程

(鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

直升機在我國各行各業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，其中利用直升機對高壓線路進行巡檢就是一個重要方面，由于直升機巡檢線路與人工巡檢相比具有明顯的優(yōu)勢，可以預(yù)見利用直升機巡檢高壓線路將成為高壓線路巡檢的主流方式之一 。此外，利用直升機進行災(zāi)后救援也變得更加頻繁。然而不論哪種情況都面臨在野外沒有方便可靠的起降點和保障基站的問題，因此設(shè)計和開發(fā)能夠方便靈活移動的停機坪顯得格外有意義。目前關(guān)于直升機停機坪的研究主要集中在固定式直升機停機坪，包括消防救援用的屋頂直升機停機坪，給石油鉆井平臺提供補給物資和貨物運輸?shù)暮Ｉ现鄙龣C停機坪等。關(guān)于可移動式直升機停機坪，景勝[1]給出了一種野外組合式停機坪方案并對其疲勞性能進行了實驗研究；吳幸鈴[2]在其專利中給出了一種車載式停機坪。

本文擬定了幾種可移動式直升機停機坪方案，并對幾種方案進行分析對比，確定了一種用于工程實踐的可行方案，利用有限元軟件ANSYS對可行方案建立有限元模型，對該模型進行多工況的靜力分析，由分析結(jié)果對比得到最惡劣的工況，對實際工程具有一定的參考價值。

1 可移動式直升機停機坪的方案擬定和三維建模

1.1 可移動式直升機停機坪的總體介紹

可移動式直升機停機坪由兩大部分組成，分別為牽引車和半掛車。停機坪的移動通過牽引車牽引半掛車實現(xiàn)，供直升機降落的是半掛車。半掛車在牽引車的牽引移動過程中處于折疊狀態(tài)，當(dāng)需要供直升機降落時，半掛車兩翼板通過液壓缸實現(xiàn)繞鉸鏈的轉(zhuǎn)動，兩翼板展開，相應(yīng)的支腿伸出，通過相應(yīng)支腿的支撐形成一個平臺，供直升機降落。

1.2 側(cè)支腿為機械式支腿的方案介紹和建模

該方案通過液壓缸實現(xiàn)半掛車兩翼板的折疊與展開，當(dāng)需要供直升機降落時，兩翼板在液壓缸動作下展開，由兩翼板的側(cè)支腿支撐，半掛車變成一個平臺，該方案在半掛車前側(cè)設(shè)置儲藏室，可以存放航空燃油和直升機維護保養(yǎng)工具，后側(cè)設(shè)置步梯，方便維護人員上下平臺。該方案的側(cè)支腿為機械支腿，通過螺旋機構(gòu)可以實現(xiàn)對平臺的調(diào)平，圖1(a)是該方案的折疊狀態(tài)，其展開狀態(tài)如圖1(b)所示。

展開狀態(tài)下整個平臺由4個機械支腿和4個液壓支腿支撐，半掛車輪胎離地，所有質(zhì)量和載荷均由8個支腿承擔(dān)。機械支腿的伸長量通過螺旋機構(gòu)調(diào)節(jié)，液壓支腿的伸長和收縮由液壓系統(tǒng)實現(xiàn)。

1.3 裝備醫(yī)務(wù)室的方案介紹和建模

該方案是在半掛車車架上安裝固定車廂，車廂作為醫(yī)療救助的醫(yī)務(wù)室。供直升機降落的平臺由焊接在車架上的型鋼支撐，平臺的折疊與展開動作由裝在型鋼上的液壓缸實現(xiàn)，在半掛車的下側(cè)設(shè)置液壓支腿。具體三維模型如圖1(c)所示。

圖1 可移動式直升機停機坪方案

1.4 側(cè)支腿為液壓支腿的方案介紹和建模

該方案的平臺靠4個水平液壓支腿和4個垂直液壓支腿支撐，水平液壓支腿可以在水平方向伸縮，垂直液壓支腿可以在垂直方向伸縮，當(dāng)需要供直升機在平臺上降落時，水平支腿伸出到位后垂直支腿伸出，整個半掛車被支腿撐起，所有質(zhì)量和載荷均由支腿承擔(dān)。具體模型如圖1(d)所示。

1.5 3種方案的分析對比

側(cè)支腿為機械支腿的方案，其平臺的支撐由8個垂直支腿支撐，支撐比較穩(wěn)定可靠，但是機械支腿的調(diào)平和支撐都需要人工操作，效率低，不符合所設(shè)計平臺對自動化的要求。裝備醫(yī)務(wù)室的方案，由于供直升機降落的平臺在醫(yī)務(wù)室的上方，距離地面的距離超過4m，直升機降落到平臺后需要對其進行維護保養(yǎng)，而這種方案不便于維護人員上下平臺，需要配備專用的升降梯，另外這種方案直升機降落到4m多高的平臺上，整個平臺的穩(wěn)定性較差。側(cè)支腿為液壓支腿方案的支撐由液壓支腿實現(xiàn)，支腿的動作由液壓系統(tǒng)進行控制，自動化程度較高，平臺前后側(cè)設(shè)置有步梯和無障礙通道，方便維護保養(yǎng)人員上下平臺和運輸維護工具，該方案的平臺支撐也較穩(wěn)定。綜合考慮，本文采用側(cè)支腿為液壓支腿的方案。

2 可移動式直升機停機坪多工況下的靜力分析

2.1 可移動式直升機停機坪模型簡化

在有限元軟件ANSYS中建模時，沒有必要將整個半掛車的所有特征都體現(xiàn)出來，可忽略平臺上驅(qū)動兩側(cè)翼板的液壓缸、前后步梯、鎖定裝置等對整個平臺的強度影響不大的結(jié)構(gòu)。半掛車架下方的懸掛、板簧、車橋、鋼圈、輪胎等特征建模時也可忽略，但這些特征的自重對平臺的作用不可忽略，在進行平臺分析時以幾個集中力施加到車架上，來模擬車架下方特征要素的重力。

2.2 可移動式直升機停機坪的有限元建模

模型的鋁合金減震面板在建模時采用Shell181單元，減震面板下側(cè)的鋼框架、液壓支腿、半掛車車架、車架加強筋均用beam189單元，梁單元和殼單元之間的連接采用公用節(jié)點，對于半掛車連接底板和兩側(cè)翼板的鉸鏈在建模時的處理方法是在鉸鏈位置建立兩個節(jié)點，對兩個節(jié)點進行自由度的耦合，將兩個節(jié)點除了繞鉸鏈軸轉(zhuǎn)動的自由度之外均進行耦合。減震鋁合金面板的截面結(jié)構(gòu)采用經(jīng)過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式，如圖2(a)所示[3-4]，直升機停機坪的有限元模型如圖2(b)所示。

圖2 有限元模型

2.3 可移動式直升機停機坪載荷工況分析

直升機停機坪所受載荷可分為兩部分，第一部分是其自身重力產(chǎn)生的載荷，第二部分是直升機所產(chǎn)生的載荷。這里主要分析第二部分載荷。對第二部分載荷的分析參考海上石油鉆井平臺直升機停機坪的載荷工況。根據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——SY/T 10038—2002《海上固定平臺直升機機場規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦做法》，考慮面板均布載荷、直升機系留、直升機沖擊等3種典型工況[5]，對可移動式直升機停機坪進行強度計算。

本文停機坪的適用對象主要是小型直升機，具體分析計算時以貝爾407小型直升機為對象，該直升機的最大起飛質(zhì)量為2 500kg。

2.3.1邊界條件

邊界條件設(shè)置為4個垂直支腿底端進行全約束。

2.3.2固定載荷

固定載荷包括可移動式直升機停機坪的鋁合金減震面板、和鋁合金面板固連的鋼框架、半掛車車架、液壓支腿、懸掛、板簧、車橋、鋼圈、輪胎等結(jié)構(gòu)要素的自重載荷，這些載荷分布在各個結(jié)構(gòu)要素上。

2.3.3可變載荷

可變載荷是指均勻分布在停機坪鋁合金面板上的載荷，包括直升機維護保養(yǎng)人員的通行、貨物搬運、旋翼的下沖氣流等作用產(chǎn)生的載荷。可變載荷以面載荷的方式均勻施加在鋁合金減震面板上，對均布載荷工況，可變載荷的大小取為2kN/m2，對于直升機系留和沖擊工況可變面載荷取為0.5kN/m2。

2.3.4直升機滑撬載荷

直升機最大起飛質(zhì)量為2 500kg，滑撬載荷以線載荷的方式施加在鋁合金減震面板上，線載荷的橫向間距為2.5m，線載荷的長度為2.5m。對于直升機系留工況，直升機的最大起飛質(zhì)量以兩條線載荷的形式施加到鋁合金減震面板上；直升機著陸沖擊工況要考慮動力放大效應(yīng)，具體方法是對直升機的最大起飛質(zhì)量乘以沖擊系數(shù)，沖擊系數(shù)取為3.25[5]。

2.3.5設(shè)計計算工況

根據(jù)中國船級社規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，直升機停機坪的結(jié)構(gòu)設(shè)計、校核需要考慮的載荷工況有面板均布載荷工況、直升機系留工況和直升機著陸沖擊工況。3種載荷工況的載荷組成見表1。

2.4 結(jié)果分析

該停機坪的鋁合金面板采用6063鋁合金，其屈服強度大于170MPa，鋁合金面板下側(cè)的鋼框架、液壓支腿等鋼結(jié)構(gòu)采用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345，材料安全系數(shù)ns=1.5。在有限元計算時，鋼材的彈性模量取為2.01×1011N/m2，泊松比為0.3，密度為7 800kg/m3；鋁合金材料彈性模量為6.89×1010N/m2，泊松比為0.31，密度為2 700kg/m3。圖3為直升機停機坪3種典型工況的應(yīng)力云圖。

表1 載荷工況表

圖3 靜力分析云圖

由應(yīng)力云圖可以得到3種工況的最大應(yīng)力應(yīng)變，具體見表2。

表2 靜力分析結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，直升機著陸沖擊工況為3種工況中應(yīng)力、應(yīng)變最大(最惡劣的受力)工況，最大應(yīng)力發(fā)生在液壓支腿和鋁合金下側(cè)鋼框架的連接處，也就是支腿支撐鋼框架的位置，此處均為鋼結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足強度要求。對于7m×7m的平臺，最大變形量為18mm,小于許用撓度28mm[8]，該變形量滿足平臺使用要求。

3 可移動式直升機停機坪的瞬態(tài)動力學(xué)分析

3.1 模型和邊界條件

瞬態(tài)動力學(xué)分析中的模型和靜力分析中的模型相同，在瞬態(tài)動力學(xué)分析中，研究的狀態(tài)是直升機著陸沖擊工況和系留工況。沖擊工況的滑撬載荷為81 250N，系留工況的滑撬載荷為25 000N。由于沖擊載荷是通過系留載荷乘以沖擊系數(shù)得到，作用時間為直升機沖擊過程的時間，而沖擊過程時間和直升機降落方式和垂直降落速度有關(guān)，滑撬的長度和間距為2.5m[9],直升機降落速度為5m/s[10],所以降落沖擊過程的時間為0.5s，有限元計算時間取為0.5s。沖擊過程結(jié)束后直升機以最大起飛質(zhì)量穩(wěn)定停留在直升機停機坪上，為了提高計算效率，取系留工況作用時間為2.5s?；溯d荷加載歷程如圖4所示，固定載荷和可變載荷在這兩段時間歷程中均相同。

3.2 瞬態(tài)動力學(xué)分析步驟[6-7]

定義分析類型為瞬態(tài)分析Transient，求解方法為完全瞬態(tài)法Full，設(shè)置載荷步，加載的滑撬載荷如圖4所示。加載的整個歷程分兩個載荷步，對直升機沖擊載荷和靜止載荷作為兩個載荷分別加載，計算過程中的子步步長為0.01s，使用自動時間步長跟蹤，根據(jù)加載情況兩個載荷步按階躍方式變化，將每個載荷步的結(jié)果寫入結(jié)果文件。按載荷步1,2的次序一次求解。

圖4 滑撬載荷歷程

3.3 計算結(jié)果與分析

在ANSYS的通用后處理器POST1和時間歷程后處理器POST26中可以得到可移動式直升機停機坪等效應(yīng)力云圖和最大等效應(yīng)力節(jié)點動態(tài)響應(yīng)曲線。在POST1通用后處理器中，對等效應(yīng)力結(jié)果列表查看，可以得到鋁合金減震面板應(yīng)力最大的節(jié)點為1949，在時間歷程后處理器POST26中得到節(jié)點1949的等效應(yīng)力隨時間的變化歷程如圖5(a)所示。由圖得到在該時間歷程中，應(yīng)力最大節(jié)點的極限應(yīng)力不超過72MPa，小于6063鋁合金的許用應(yīng)力，滿足強度要求。

圖5 瞬態(tài)動力學(xué)分析結(jié)果

在通用后處理器POST1中，查看整個平臺的等效應(yīng)力云圖如圖5(b)所示，最大應(yīng)力發(fā)生在垂直液壓支腿和鋁合金減震面板下側(cè)的鋼框架接觸處，即垂直支腿上端。因為支腿和鋼框架在ANSYS中建模時采用的是梁單元，對梁單元無法直接提取最大等效應(yīng)力，要提取梁單元的最大應(yīng)力需提取梁單元最大彎曲應(yīng)力和最大正應(yīng)力，由最大彎曲應(yīng)力和最大正應(yīng)力得到梁單元所受最大等效應(yīng)力。對支腿上端提取最大彎曲應(yīng)力時間歷程曲線如圖5(c)所示。正應(yīng)力時間歷程曲線如圖5(d)所示。從圖5(c)和圖5(d)可以看出垂直支腿最大彎曲應(yīng)力為173MPa，最大正應(yīng)力為14MPa，由此可得到支腿在該時間歷程中所受最大等效應(yīng)力為187MPa，小于Q345的許用應(yīng)力345MPa。

在通用后處理器POST1中查看得到位移最大的節(jié)點為40836，在時間歷程后處理器POST26中提取該節(jié)點的位移時間歷程曲線如圖5(e)所示。由時間歷程曲線得到該節(jié)點Z方向的最大位移是-35mm，在1.6s時，該節(jié)點位移不再變化，到達平衡位置，平衡位置節(jié)點位移為8mm。

在通用后處理器POST1中查看得到速度最大的節(jié)點為22789，在時間歷程后處理器POST26中提取該節(jié)點的速度時間歷程曲線如圖5(f)所示。由時間歷程曲線得到該節(jié)點Z方向的最大速度是-0.44m/s，在1.2s時，該節(jié)點基本上達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文對一種可行的可移動式直升機停機坪方案在ANSYS中建立了其有限元模型，對其進行了多工況下的靜力分析，分析表明，直升機著陸沖擊工況是可移動式直升機停機坪所承受的最惡劣的工況，停機坪能夠滿足該工況下的強度和剛度要求。

對直升機著陸沖擊工況和直升機系留工況下的可移動式直升機停機坪進行了瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到了受力最大單元的應(yīng)力隨時間變化的歷程曲線、鋁合金面板受力最大節(jié)點的應(yīng)力隨時間的變化曲線、整個平臺上位移最大節(jié)點的位移時間歷程、最大速度節(jié)點的速度時間歷程，各個歷程曲線應(yīng)力的最大值均小于材料的許用應(yīng)力，穩(wěn)定變形量小于許用撓度，滿足可移動式直升機停機坪使用要求。