耐久性仿真試驗(yàn)在直升機(jī)上的應(yīng)用研究

王開山，丁惠萍，陳大祿

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

耐久性仿真試驗(yàn)是指通過在產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)上，模擬施加產(chǎn)品在壽命期內(nèi)所經(jīng)歷的載荷歷程，將產(chǎn)品分解到最低約定層次單元，進(jìn)行應(yīng)力分析和耗損型失效時(shí)間計(jì)算，從而找出產(chǎn)品的耐久性薄弱環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)產(chǎn)品的耐久性水平。另外，在了解耐久性薄弱環(huán)節(jié)主要失效機(jī)理和敏感應(yīng)力的基礎(chǔ)上，可以指導(dǎo)耐久性設(shè)計(jì)改進(jìn)，并可以為確定產(chǎn)品壽命試驗(yàn)方案中的試驗(yàn)載荷類型與施加方式監(jiān)測(cè)參數(shù)等提供依據(jù)[1]。

由于直升機(jī)動(dòng)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，且動(dòng)部件和機(jī)構(gòu)件眾多，因此存在大量以疲勞磨損等耗損型失效機(jī)理為主的機(jī)載產(chǎn)品，對(duì)于這類機(jī)載產(chǎn)品的耐久性分析，目前多以經(jīng)驗(yàn)法相似產(chǎn)品法等定性分析方法為主[2]，缺少定量分析耐久性指標(biāo)符合性的有效方法。通過耐久性仿真試驗(yàn)，不僅可以在研制階段定量回答產(chǎn)品耐久性指標(biāo)，還可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品耐久性的薄弱環(huán)節(jié)，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)，在研制過程中不斷提高產(chǎn)品的耐久性水平，并能為產(chǎn)品壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。因此，在直升機(jī)研制過程中，采取耐久性仿真試驗(yàn)手段進(jìn)行產(chǎn)品的耐久性分析具有重要意義。

文中在對(duì)已有耐久性仿真試驗(yàn)方法進(jìn)行充分調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)直升機(jī)研制的工程實(shí)際特點(diǎn)，總結(jié)出了適用于直升機(jī)研制的耐久性仿真試驗(yàn)方法。

1 耐久性仿真試驗(yàn)方法

1.1 一般流程

耐久性仿真試驗(yàn)的一般流程主要包括產(chǎn)品信息收集失效機(jī)理分析數(shù)字樣機(jī)建模應(yīng)力分析耗損型失效時(shí)間計(jì)算和壽命評(píng)估等六大步驟，如圖1 所示。

圖1 耐久性仿真試驗(yàn)一般流程

1.2 產(chǎn)品信息收集

產(chǎn)品信息收集是為了收集耐久性仿真分析所需的全部資料，主要收集內(nèi)容如圖2 所示。其中耐久性指標(biāo)要求主要包括翻修間隔期和總壽命；常規(guī)應(yīng)力載荷剖面主要包括工作載荷剖面和環(huán)境載荷剖面；除此之外還應(yīng)收集產(chǎn)品安裝位置及安裝方式等信息。其目的是為后續(xù)的失效機(jī)理分析數(shù)字樣機(jī)建模應(yīng)力分析耗損型失效時(shí)間計(jì)算及壽命評(píng)估提供輸入。

圖2 產(chǎn)品信息收集內(nèi)容

1.3 失效機(jī)理分析

失效機(jī)理分析是為了確定產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)所有可能潛在的耗損型失效機(jī)理，進(jìn)而確定應(yīng)力分析目標(biāo)。為數(shù)字樣機(jī)建模應(yīng)力分析和耐久性指標(biāo)計(jì)算奠定基礎(chǔ)。失效機(jī)理分析的主要步驟如圖3 所示。通過這五個(gè)步驟可以得到產(chǎn)品在常規(guī)應(yīng)力載荷譜條件下，每個(gè)最低約定層次單元在全壽命周期內(nèi)所受到的所有載荷類型，每種載荷類型下所有可能出現(xiàn)的耗損型失效機(jī)理以及各零件應(yīng)力分析的目標(biāo)。

對(duì)于零組件較多的產(chǎn)品，要進(jìn)行結(jié)構(gòu)層次劃分，可分為初始約定層次約定層次最低約定層次等。繪制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次圖，最終確定機(jī)理分析的最低約定層次。為了規(guī)范描述，最低約定層次需采用統(tǒng)一編碼來表示，通常用數(shù)字001—999 表示。

圖3 失效機(jī)理分析步驟

對(duì)于載荷分析，需分析確定產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)所有可能的工作載荷與環(huán)境載荷類型及其作用方式。工作載荷一般有負(fù)載力轉(zhuǎn)速壓力油溫頻率和行程等；環(huán)境載荷一般有環(huán)境溫度和振動(dòng)等。另外，載荷類型也需采用統(tǒng)一編碼來表示，通常用字母A—Z 表示。

機(jī)載非電產(chǎn)品常見的耗損型失效機(jī)理類型主要包括疲勞老化磨損和應(yīng)力松弛[3]。機(jī)理確定可遵循如下原則：當(dāng)最低約定層次單元受到交變載荷作用時(shí)，會(huì)存在疲勞機(jī)理；當(dāng)高分子材料受到溫度載荷作用時(shí)，會(huì)存在老化機(jī)理；當(dāng)相互接觸的兩個(gè)最低約定層次單元存在法向載荷和相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)存在磨損機(jī)理；當(dāng)彈性元件受到恒定溫度載荷和預(yù)緊力作用時(shí)，會(huì)存在應(yīng)力松弛機(jī)理。

對(duì)于機(jī)理合并，主要遵循兩條原則：對(duì)會(huì)引起同一故障模式的機(jī)理進(jìn)行合并；針對(duì)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的最低約定層次單元，其機(jī)理類型多為磨損，在這種情況下，則要進(jìn)行不同最低約定層次單元的機(jī)理合并，并統(tǒng)一為某種機(jī)理類型。機(jī)理合并之后，在上述單作用統(tǒng)一編碼的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)理的綜合編碼，采用數(shù)字001—999 和字母A—Z 重疊方式來表示。

對(duì)于應(yīng)力分析目標(biāo)的確定，主要遵循如下原則：針對(duì)疲勞類機(jī)理，需先進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，從而為疲勞壽命計(jì)算提供輸入；針對(duì)老化類機(jī)理，如泵電機(jī)類發(fā)熱量大的產(chǎn)品，需要建立CFD 數(shù)字樣機(jī)，并進(jìn)行相應(yīng)的流體熱分析，得到溫度場(chǎng)，從而為老化壽命計(jì)算提供輸入；針對(duì)磨損類機(jī)理，如果作用力載荷不明確，則需先建立多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，獲得零件表面的作用力載荷，從而為磨損壽命計(jì)算提供輸入；針對(duì)電機(jī)等具有高速旋轉(zhuǎn)部件的產(chǎn)品，需要建立轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)數(shù)字樣機(jī)，并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析，從而為疲勞或磨損壽命計(jì)算提供輸入。根據(jù)上述原則，確定各個(gè)最低約定層次的應(yīng)力分析目標(biāo)，并匯總到應(yīng)力分析目標(biāo)匯總表中。

1.4 數(shù)字樣機(jī)建模和應(yīng)力分析

依據(jù)所確定的應(yīng)力分析目標(biāo)，在CAD 數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上構(gòu)建各應(yīng)力分析所需要的數(shù)字樣機(jī)，包括FEA 數(shù)字樣機(jī)（用于結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析振動(dòng)應(yīng)力分析）多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字樣機(jī)（用于多體動(dòng)力學(xué)分析）CFD數(shù)字樣機(jī)（用于計(jì)算流體力學(xué)分析）[4-5]。

數(shù)字樣機(jī)建模完成后，進(jìn)行應(yīng)力分析。應(yīng)力分析方法一般包括經(jīng)驗(yàn)公式法和有限元法，除軸承齒輪等具有專門標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推薦的應(yīng)力計(jì)算方法的零組件之外，其余均需使用有限元法開展仿真應(yīng)力分析。根據(jù)所確定的應(yīng)力分析目標(biāo)，仿真應(yīng)力分析主要包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析振動(dòng)應(yīng)力分析多體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算流體力學(xué)分析等。

1.5 耗損型失效時(shí)間計(jì)算

耗損型失效時(shí)間計(jì)算采用耐久性壽命評(píng)估模型計(jì)算各最低約定層次單元的耐久性指標(biāo)，其包含三個(gè)部分：構(gòu)建產(chǎn)品樹耗損失效機(jī)理模型的選擇和失效時(shí)間計(jì)算。在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的耗損型失效機(jī)理選擇耗損型失效機(jī)理模型[6]。結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果振動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果多體動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果以及計(jì)算流體力學(xué)分析結(jié)果，分別輸入相應(yīng)的材料參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)載荷參數(shù)閾值參數(shù)與剖面信息，利用選定模型計(jì)算得各最低約定層次單元的耗損型失效時(shí)間[7-8]。

1.6 壽命評(píng)估

根據(jù)各最低約定層次單元耗損型失效時(shí)間的計(jì)算結(jié)果，利用時(shí)間最短原則，確定產(chǎn)品的耐久性指標(biāo)理論計(jì)算值。然后，對(duì)照產(chǎn)品耐久性指標(biāo)要求回答指標(biāo)的符合性，并確定耐久性薄弱環(huán)節(jié)。最后，對(duì)耐久性薄弱環(huán)節(jié)提出設(shè)計(jì)改進(jìn)建議，并進(jìn)行回歸仿真驗(yàn)證。

2 應(yīng)用案列

現(xiàn)以某型號(hào)直升機(jī)主起緩沖裝置為例，利用上述耐久性仿真試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)分析。

2.1 產(chǎn)品信息收集

按上述信息收集要求收集主起緩沖裝置開展耐久性仿真分析所需的全部資料。其中翻修間隔期限為15 000 次起落/3 000 飛行小時(shí)/10 年，總壽命為45 000 次起落/9 000 飛行小時(shí)/30 年。其余資料不在此一一羅列。

2.2 失效機(jī)理分析

依據(jù)主起緩沖裝置的結(jié)構(gòu)組成工作原理及工作特性等方面的相關(guān)信息，按照初始約定層次約定層次最低約定層次對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)層次分解，確定機(jī)理分析的最低約定層次。共分解出1 個(gè)初始約定層次15 個(gè)約定層次65 個(gè)最低約定層次，并對(duì)最低層次進(jìn)行編碼。根據(jù)結(jié)構(gòu)分解的結(jié)果，對(duì)每一個(gè)最低約定層次進(jìn)行載荷分析，確定其在全壽命周期內(nèi)所有可能的工作載荷和環(huán)境載荷，并對(duì)各載荷進(jìn)行編碼。

對(duì)主起緩沖裝置65 個(gè)最低約定層次中的疲勞磨損老化等耗損型失效機(jī)理進(jìn)行梳理。進(jìn)而，按上述機(jī)理合并原則對(duì)所梳理出的失效機(jī)理進(jìn)行合并，將54 個(gè)耗損型失效機(jī)理合并為9 個(gè)，機(jī)理合并結(jié)果見表1。

表1 機(jī)理合并結(jié)果

最后，根據(jù)前面機(jī)理確定及合并結(jié)果，確定此次主起緩沖裝置耐久性仿真試驗(yàn)分析目標(biāo)。其中結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析7 項(xiàng)接觸應(yīng)力分析2 項(xiàng)壽命計(jì)算11 項(xiàng)（含結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算7 項(xiàng)磨損計(jì)算2 項(xiàng)老化計(jì)算2 項(xiàng)）。見表2。

2.3 數(shù)字樣機(jī)建模和應(yīng)力分析

依據(jù)表2 所確定的應(yīng)力分析目標(biāo)，在主起緩沖裝置CAD 數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上構(gòu)建FEA 數(shù)字樣機(jī)，并對(duì)各最低約定層次進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和接觸應(yīng)力分析。該產(chǎn)品不涉及多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)等分析。

2.4 耗損型失效時(shí)間計(jì)算

根據(jù)不同的耗損型失效機(jī)理，選擇對(duì)應(yīng)的耗損失效機(jī)理模型，結(jié)合主起緩沖裝置各最低約定層次結(jié)構(gòu)應(yīng)力和接觸應(yīng)力分析結(jié)果，分別輸入相應(yīng)的材料參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)載荷參數(shù)閾值參數(shù)與剖面信息，利用選定模型計(jì)算得各最低約定層次單元的耗損型失效時(shí)間。根據(jù)主起緩沖裝置各失效機(jī)理下的失效時(shí)間計(jì)算結(jié)果，按照壽命最小原則，進(jìn)行理論壽命計(jì)算，各最低約定層次理論壽命計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 耐久性仿真試驗(yàn)分析目標(biāo)

表3 理論壽命計(jì)算結(jié)果

2.5 壽命評(píng)估

由上述耐久性仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，主起緩沖裝置結(jié)構(gòu)疲勞主要集中在活塞桿外筒內(nèi)筒銷搖臂緩沖器與搖臂連接螺栓和緩沖器與機(jī)身連接螺栓。其中緩沖器與搖臂連接螺栓所受載荷較大，產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，在經(jīng)歷產(chǎn)品工作載荷譜的加載后，其疲勞壽命雖滿足總壽命指標(biāo)要求，但與其他零部件相比，安全系數(shù)過小，定義為薄弱環(huán)節(jié)。針對(duì)該薄弱環(huán)節(jié)，采取了將連接螺栓材料更換為超高強(qiáng)度鋼的設(shè)計(jì)更改措施。螺栓材料更改后，經(jīng)仿真回歸驗(yàn)證，該薄弱環(huán)節(jié)得到改善。后續(xù)壽命試驗(yàn)將該薄弱環(huán)節(jié)作為重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)。主起緩沖裝置老化主要集中在橡膠密封圈，密封圈的老化壽命不滿足總壽命30 年的指標(biāo)要求，但遠(yuǎn)大于翻期間隔期，因此可通過定時(shí)翻修進(jìn)行更換，不需定義為耐久性薄弱環(huán)節(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

文中從直升機(jī)型號(hào)研制的工程實(shí)際需求出發(fā)，針對(duì)直升機(jī)研制特點(diǎn)，提出了適用于直升機(jī)機(jī)載產(chǎn)品研制的耐久性仿真試驗(yàn)方法，并給出了直升機(jī)機(jī)載產(chǎn)品開展耐久性仿真試驗(yàn)的一般流程和具體步驟。通過實(shí)際案例證明了提出的耐久性仿真試驗(yàn)方法可以有效發(fā)現(xiàn)直升機(jī)機(jī)載產(chǎn)品研制中的耐久性設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，且操作流程和實(shí)施步驟簡(jiǎn)單易行，可以推廣到直升機(jī)型號(hào)研制的實(shí)際工程應(yīng)用中。