某型無人直升機旋翼軸有限元分析

馬敬志，范汪明

（總參謀部第六十研究所，江蘇 南京 210016）

某型無人直升機旋翼軸有限元分析

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)系到無人直升機的飛行情況?；贏NSYS軟件，計算某無人直升機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、屈服強度和極限強度，分析其安全系數(shù)，滿足設(shè)計要求，為旋翼系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

無人直升機；旋翼軸；應(yīng)力；安全余度

無人直升機的旋翼軸是無人直升機的關(guān)鍵零部件之一，它將發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩傳遞給主旋翼系統(tǒng)，把旋翼槳葉上的氣動載荷傳遞給旋翼傳動軸和操縱系統(tǒng)。主軸的安全與否直接關(guān)系到無人直升機的飛行安全，軸使用的材料選擇關(guān)系到其強度及疲勞性能 。旋翼主軸在承受槳轂傳來的離心力的同時，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致主軸的疲勞破壞，尤其是連接處的破壞，將嚴重威脅槳轂系統(tǒng)的飛行安全，同時槳轂系統(tǒng)的疲勞破壞會導致直升機的墜毀或者地面人員傷亡，因此無人直升機主軸零件是否安全可靠直接影響到該型無人直升機的安全。

1 有限元建模及分析

1.1 建模情況

無人直升機槳轂組件如下圖1所示，為保證結(jié)構(gòu)的安全性，需要對該組件進行強度校核。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。此處對主軸進行校核。

圖1 某型無人直升機無鉸式槳轂組件圖

主軸是整個槳轂系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，主要作用是將發(fā)動機功率傳遞到槳轂中心件，進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 實體建模

在ANSYS軟件中可選用的實體單元中，六面體單元計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)扭矩載荷時兩端的應(yīng)力幾乎等于零，可以忽略不計，因此有限元建模時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，在 ANSYS軟件中將整個結(jié)構(gòu)分割成若干個小結(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單元對模型進行網(wǎng)格劃分，共計287321個單元，286285個節(jié)點。

1.3 計算方案及工況

主軸計算需要考慮4種工況：對稱俯沖拉起、垂直起飛、滾轉(zhuǎn)改出以及陣風載荷。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)動方向相反）、前向力Fh（前向力，指向機頭）、俯仰力矩My（俯仰力矩，指向機體側(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

將主軸的四個螺栓孔和槳轂中心件的4個螺栓孔通過MPC進行連接，將槳轂中心件兩端截面的節(jié)點與截面中心點內(nèi)建立MPC，在主軸4個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，槳轂中心件通過與主軸的接觸面進行這些載荷的傳遞，而不是依靠中心件和主軸的4根螺栓進行傳遞。由此可以看出，主軸上方四個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。為了避免計算中接觸的設(shè)置帶來的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在模型計算中不設(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 計算結(jié)果

基于Catia模型文件，采用HyperMesh進行幾何處理和單元劃分，采用Ansys基于工況進行加載計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 主軸不同方案、工況強度計算結(jié)果

3 結(jié)語

旋翼軸選用的材料力學性能好壞對主軸的強度失效有著比較大的影響，在選取主軸材料時應(yīng)當嚴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，防止因為材料力學性能分散性等原因而導致主軸結(jié)構(gòu)件的非預期失效。由旋翼軸有限元分析結(jié)果可見，材料的屈服強度和極限強度同時滿足設(shè)計要求，達到無人直升機強度規(guī)范所要求的安全系數(shù)，達到工程實際的需求，主軸設(shè)計合理可行。

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V275.1；V249.1

A

1671-0711（2017）12（上）-0160-02