直升機(jī)旋翼系統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的CAE仿真

王 建，秦瑞芬，吳艷霞

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 強(qiáng)度室, 江西 景德鎮(zhèn) 333001)

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的CAE仿真

王 建，秦瑞芬，吳艷霞

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 強(qiáng)度室, 江西 景德鎮(zhèn) 333001)

介紹了CAE方法在直升機(jī)旋翼系統(tǒng)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的仿真應(yīng)用情況。針對(duì)旋轉(zhuǎn)部件的載荷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在多年工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了一套有限元分析模型和應(yīng)力計(jì)算流程，通過(guò)專用程序處理，實(shí)現(xiàn)了部件應(yīng)力分布的可視化顯示。最后討論了此方法的擴(kuò)展應(yīng)用。

直升機(jī)；旋翼；強(qiáng)度設(shè)計(jì)；仿真；可視化

0 引言

經(jīng)過(guò)了一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，直升機(jī)在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。它具有在空中任意高度懸停和向任意方向運(yùn)動(dòng)的能力，這是其它固定翼航空器所不能相比的。直升機(jī)的這種獨(dú)特能力是通過(guò)專門設(shè)計(jì)的直升機(jī)特有的部件-高速旋轉(zhuǎn)的旋翼系統(tǒng)-實(shí)現(xiàn)的。旋翼系統(tǒng)的性能在很大程度上決定著直升機(jī)的性能。

旋翼系統(tǒng)在空氣中高速旋轉(zhuǎn)，與空氣相互作用產(chǎn)生使直升機(jī)運(yùn)動(dòng)的載荷。這些載荷一部分是隨旋翼旋轉(zhuǎn)變化的，稱為動(dòng)態(tài)載荷，如旋翼軸上承受的彎矩和橫向力；一部分是不隨旋翼旋轉(zhuǎn)變化的，稱為靜態(tài)載荷，如離心力和升力等。所有載荷都是作用在旋翼系統(tǒng)上然后再傳遞到機(jī)身上的。

旋翼系統(tǒng)上的載荷，具有量值高，變化頻率快的特點(diǎn)，如靜態(tài)載荷升力和離心力，往往達(dá)到數(shù)十噸，動(dòng)態(tài)載荷旋翼軸彎矩和橫向力則一般每分鐘變化數(shù)百次，所以旋翼系統(tǒng)的部件通常工作在很嚴(yán)酷的載荷環(huán)境之下，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中要同時(shí)考慮靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度問(wèn)題。而旋翼系統(tǒng)的部件作為航空產(chǎn)品，需要兼顧功能、強(qiáng)度、重量、成本之間的平衡，其幾何構(gòu)型也很復(fù)雜，詳細(xì)準(zhǔn)確的應(yīng)力分析工作是必須的，有限元分析方法一般是首選的方法。

這里，以旋翼系統(tǒng)最重要的承力部件之一，槳轂中央件為例，介紹了CAE在直升機(jī)旋翼系統(tǒng)部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 有限元模型的建立與特殊要求

在這里首先需要說(shuō)明的是，對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)形式的直升機(jī)旋翼槳轂，其中央件上作用和傳遞的載荷是不相同的，這里選取的槳轂構(gòu)型是國(guó)產(chǎn)化直升機(jī)采用最多的球柔性槳轂。在圖1中給出了一個(gè)球柔性槳轂中央件的3D實(shí)體模型，它的外端連接5個(gè)可以在空間三個(gè)角度上自由轉(zhuǎn)動(dòng)的揮舞支臂/槳葉組件，內(nèi)端則通過(guò)花鍵與輸出動(dòng)力的旋翼軸連接，旋翼系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的所有氣動(dòng)和慣性載荷都作用在槳轂中央件上。

圖1 槳轂中央件3D實(shí)體

1.1 載荷及其處理

槳轂中央件在工作過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)，它上面作用的載荷分為兩大類，一類為不隨時(shí)間或者說(shuō)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變化的載荷，稱為靜載荷，一類為隨時(shí)間變化的載荷稱為動(dòng)載荷，表現(xiàn)為隨旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)呈周期變化。所有載荷都作用在中央件與5個(gè)揮舞支臂組件連接面上，由氣動(dòng)載荷與平衡載荷計(jì)算軟件CAMRADII計(jì)算得到這些載荷，除離心力和阻尼器載荷外，取合成到中央件中心處的載荷分配到外端載荷作用面上。具體描述如下：

Fc揮舞支臂/槳葉離心力，靜載荷；

C旋翼軸扭矩，靜、動(dòng)載荷；

P旋翼軸升力，靜載荷；

Mf旋翼軸彎矩，動(dòng)載荷；

Tr旋翼軸側(cè)向力，動(dòng)載荷；

Fa阻尼器載荷，動(dòng)載荷。

以上載荷分別按坐標(biāo)軸方向分解，在中央件載荷作用面上按靜、動(dòng)載荷合成三個(gè)方向的載荷分量，見(jiàn)圖2。

X方向，

靜值：

動(dòng)值：

Y方向，

靜值：

動(dòng)值 ：

Z方向，

靜值：

動(dòng)值：

圖2 中央件載荷分解與合成

1.2 有限元模型

槳轂中央件因?yàn)槭切D(zhuǎn)部件，其幾何結(jié)構(gòu)通常為軸對(duì)稱的，在建立有限元模型的過(guò)程中可以利用這個(gè)特性。

選取我院2015年5月～2018年5月收治的60例重癥哮喘并發(fā)呼吸衰竭患者作為臨床研究對(duì)象，將所有研究對(duì)象按照隨機(jī)數(shù)字表法分為對(duì)照組與觀察組，各30例。觀察組：男16例，女14例；年齡19～80歲，平均（47.56±12.58）歲；對(duì)照組：男17例，女13例；年齡20～81歲，平均（48.27±12.53）歲。兩組患者的基本資料經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析差異無(wú)顯著性；差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

有限元模型的建立還取決于后期的應(yīng)力處理方法。有兩種方法可以用于應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的后處理過(guò)程，一種方法為利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和動(dòng)載荷周期變化特性，采用工程方法計(jì)算任一結(jié)點(diǎn)的最大動(dòng)應(yīng)力，公式如下：

這種方法要求把中央件按揮舞支臂數(shù)N等分，每一等分結(jié)構(gòu)建立完全對(duì)稱的有限元模型。上述公式中的s1和s2為相鄰兩個(gè)對(duì)稱有限元模型的對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力，對(duì)所有相鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算就可以得到最大動(dòng)載荷。此方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小，可以快速得到計(jì)算結(jié)果；缺點(diǎn)是必須嚴(yán)格對(duì)稱劃分有限元模型，所有結(jié)點(diǎn)都要做到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，對(duì)前處理軟件功能和建模技巧有較高的要求。

另外一種方法為模擬動(dòng)載荷周期變化過(guò)程，在中央件各個(gè)支臂加載點(diǎn)處按動(dòng)載荷初始相位和一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)按三角函數(shù)周期變化的規(guī)律，采用與疲勞試驗(yàn)加載相同的方法按一定角度步長(zhǎng)對(duì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)結(jié)點(diǎn)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期上的應(yīng)力變化。為了保證應(yīng)力變化的計(jì)算精度，需要有足夠多的步長(zhǎng)數(shù)。

此方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)有限元模型沒(méi)有對(duì)稱性要求，降低了模型單元?jiǎng)澐值碾y度，一般采用四面體單元即可滿足要求，同時(shí)模擬了疲勞試驗(yàn)加載程序，可以很方便地與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。所以這里采用第二種方法，建立的有限元模型見(jiàn)圖3。

當(dāng)然此方法對(duì)計(jì)算能力有較高要求，特別是對(duì)大尺寸模型，其計(jì)算自由度將達(dá)到千萬(wàn)級(jí)別。

圖3 槳轂中央件有限元模型

2 應(yīng)力結(jié)果后處理與可視化要求

載荷和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致了中央件上的應(yīng)力分布規(guī)律也很復(fù)雜。另外，中央件強(qiáng)度設(shè)計(jì)不僅需要考慮靜強(qiáng)度問(wèn)題，同時(shí)還要考慮低周和高周疲勞強(qiáng)度等，而對(duì)應(yīng)不同的強(qiáng)度問(wèn)題，高應(yīng)力分布區(qū)有所不同，再加上有無(wú)微動(dòng)擦蝕造成的材料疲勞性能的不同，直觀的可視化應(yīng)力分布要求是必要的，以準(zhǔn)確確定強(qiáng)度危險(xiǎn)區(qū)域。

中央件應(yīng)力分析分兩步進(jìn)行，首先在建立的有限元模型上各載荷作用點(diǎn)分別施加單位載荷，得到單位載荷計(jì)算工況，這里共5個(gè)載荷作用點(diǎn)，15種單位載荷工況；然后根據(jù)真實(shí)載荷和單位載荷比值得到載荷系數(shù)，對(duì)單位載荷工況進(jìn)行應(yīng)力疊加后處理得到真實(shí)載荷工況的應(yīng)力分布，這種方法可以對(duì)多組載荷工況進(jìn)行批處理，可以大大提高計(jì)算效率。

其中:σs與σd分別為靜、動(dòng)應(yīng)力，σ0.2為材料彈性極限，α為可選擇材料常數(shù)。

上述應(yīng)力后處理計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜，一般通用CAE軟件提供的后處理功能不能滿足要求，為了解決這個(gè)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了專用的后處理程序。該專用程序可以讀取單位載荷狀態(tài)有限元計(jì)算結(jié)果，處理得到用于靜強(qiáng)度分析和高、低周疲勞強(qiáng)度計(jì)算的應(yīng)力分布，并在相應(yīng)的軟件中進(jìn)行顯示，見(jiàn)圖4。

圖4 槳轂中央件應(yīng)力分布

3 旋轉(zhuǎn)動(dòng)部件CAE分析系統(tǒng)的集成

旋翼系統(tǒng)槳轂中央件的CAE分析，需要各種功能的通用軟件聯(lián)合工作，才能快速高效地完成。在多年強(qiáng)度設(shè)計(jì)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，按功能集成了CAE分析系統(tǒng)平臺(tái)。見(jiàn)圖5。

圖5 旋轉(zhuǎn)部件CAE分析系統(tǒng)

這里給出的分析系統(tǒng)平臺(tái)模型只是給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷計(jì)算、有限元建模和應(yīng)力分析的流程示意。在實(shí)際工作中也可以采用其它具有相同功能的軟件實(shí)現(xiàn)。

為了提高分析速度和計(jì)算精度，正在開(kāi)發(fā)包括載荷管理、前后自動(dòng)化處理和試驗(yàn)仿真模塊以完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的工程化快速評(píng)估和精細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程。這個(gè)過(guò)程通過(guò)在通用商用CAE分析軟件上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 進(jìn)一步應(yīng)用討論

前面建立的對(duì)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)進(jìn)行CAE仿真分析的平臺(tái)，除了可以用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)之外，還可以用于旋翼系統(tǒng)部件疲勞試驗(yàn)仿真，在計(jì)算高應(yīng)力區(qū)可以應(yīng)用應(yīng)變片功能取出一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的測(cè)量應(yīng)力與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行比較，積累數(shù)據(jù)建立虛擬試驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)。

另外，還可以推廣應(yīng)用到其它旋轉(zhuǎn)部件上去，如應(yīng)用前景廣闊的大型風(fēng)機(jī)等。圖6給出了一種兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)輪轂應(yīng)力分析的例子。

圖6 兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)輪轂應(yīng)力分析

[1] 航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究院?，編.直升機(jī)載荷手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1991

[2] 穆志韜，曾本銀. 直升機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[3] 中航602所，譯.直升機(jī)工程詳細(xì)設(shè)計(jì)[Z].景德鎮(zhèn)：中航工業(yè)集團(tuán)公司第602研究所，1993.

Simulating of Helicopter Rotor Part Strength Design by CAE

WANG Jian, QIN Ruifen, WU Yanxia

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001,China)

This article introduced a simulation of helicopter rotor part strength design by CAE. Due to the peculiarity with rotating structures and loads applied on them, based on experience of engineering practice, conformed a program of finite element model building and stress analyzing. By a special process to identify critical area of part while visualizing them. The extending applications were discussed.

helicopter; rotor; strength design; simulation; visualize

2016-09-29

王 建(1964-)，男，山東濟(jì)南人，碩士，研究員，型號(hào)專業(yè)副總師，長(zhǎng)期從事直升機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作。參加過(guò)多個(gè)直升機(jī)型號(hào)的研制，參加國(guó)際技術(shù)合作，獲多項(xiàng)所、部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，發(fā)表論文多篇。

1673-1220(2016)04-034-04

V215.2

A