旋翼機機械式飛行操縱系統(tǒng)強度設(shè)計方法研究

吳松楠

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

旋翼機機械式操縱系統(tǒng)設(shè)計在實現(xiàn)操作功能的前提下，應(yīng)滿足強度設(shè)計要求與剛度指標(biāo)。國內(nèi)的旋翼機機械操縱系統(tǒng)設(shè)計依靠仿制、原有經(jīng)驗并借助于固定翼操縱系統(tǒng)的設(shè)計方法，經(jīng)過國內(nèi)外長期的理論分析與工程驗證[1-5]，借助于有限元軟件MSC/Patran/Nastran，形成了一體化的強度設(shè)計流程與驗證方法，在系統(tǒng)初步設(shè)計階段，確保系統(tǒng)設(shè)計的可行性與低迭代率，既保證系統(tǒng)強度又滿足剛度指標(biāo)。

1 旋翼機飛行操縱系統(tǒng)功能

旋翼機飛行操縱系統(tǒng)由旋翼操縱、尾槳操縱及液壓助力器組成。飛行操縱主要改變旋翼系統(tǒng)與尾槳系統(tǒng)的槳葉迎角，以改變旋翼的氣動升力的大小與方向。

旋翼操縱的總距桿用于改變槳葉總距以實現(xiàn)總距操縱，周期桿用于操縱槳葉周期變距以實現(xiàn)縱向和橫向操縱，圖1所示為總距與周期變距操縱示意圖[6]。尾槳操縱改變尾槳葉的攻角。控制輸入是通過腳踏裝配組件或電傳航向助力器實現(xiàn)的。圖2為涵道式尾槳做偏航操縱[6]。

圖1 總距操縱與周期變距操縱

圖2 偏航操縱

2 載荷來源

旋翼飛行操縱系統(tǒng)的外載荷來自槳葉的氣動鉸鏈力矩，它與駕駛員(或助力器)對駕駛桿及腳踏板施加的操縱力相平衡，通常按照型號強度和剛度設(shè)計規(guī)范、旋翼航空器適航規(guī)定(MIL-S-8698、FAR/CS/CCAR27/29等)中的駕駛員操縱力要求進(jìn)行施加。表1列出了各規(guī)范規(guī)定的駕駛員操縱設(shè)計載荷。

表1 各規(guī)范規(guī)定的駕駛員操縱設(shè)計載荷

3 載荷工況與邊界條件

飛行操縱系統(tǒng)載荷由旋翼操縱載荷與尾槳操縱載荷組成，旋翼操縱載荷由總距操縱載荷、周期變距操縱載荷組成，尾槳操縱載荷為腳踏操縱載荷。對于雙操縱系統(tǒng)，各雙飛行操縱系統(tǒng)必須能承受不小于表1規(guī)定的飛行員作用力的0.75倍所產(chǎn)生的載荷;其操縱力方向需同時考慮同向與反向，同向為飛行員的正常操作情況，反向為誤操作情況。

飛行操縱系統(tǒng)必須安裝在機身主傳力結(jié)構(gòu)上，如框、梁、地板及平臺等。另依據(jù)操縱系統(tǒng)的設(shè)計要求與組件構(gòu)型，參照旋翼類航空器適航規(guī)定(FAR/CS/CCAR27/29等)，操縱系統(tǒng)載荷的反作用力由五部分平衡，分別是操縱止動器、操縱鎖扣、不可逆機構(gòu)、操縱系統(tǒng)同旋翼槳距操縱搖臂的連接件、操縱系統(tǒng)同操縱面的操縱支臂的連接件。

一般地，旋翼有三個操縱助力器，沿順航向分別為前左、前右與后左。按照操縱線系，操縱系統(tǒng)載荷工況與平衡反力位置為：旋翼的總距、縱向與橫向操縱分別由各自作用的助力器位置承受反力；尾槳腳蹬操縱由單個尾槳助力器承受反力；止動器工況及其平衡反力位置，由各線系止動器的止動位置承受反力。表2所示為總距操縱載荷工況。

表2 總距操縱載荷工況

4 機械飛行操縱系統(tǒng)有限元模型

以某民用直升機的混合式操縱系統(tǒng)為例[4]，為得到全操縱線系的內(nèi)力、位移與操縱系統(tǒng)支座的連接載荷，利用CAE平臺建立旋翼飛行操縱系統(tǒng)有限元模型，如圖3所示。按照操縱系統(tǒng)各零件的功能與傳載特點，選取具有相應(yīng)力學(xué)特性的單元對零件進(jìn)行模擬。由于操縱拉桿和球柔鋼索傳遞軸向拉壓載荷，且拉桿/球柔鋼索與搖臂通過可在面內(nèi)擺動的滾珠軸承連接，可用桿單元(Rod)模擬拉桿和球柔鋼索；由于縱/橫向周期變距桿、總距桿、搖臂、扭軸等零件傳遞拉壓載荷、面內(nèi)載荷及彎/扭矩，可用梁單元(Bar/beam)進(jìn)行模擬，且梁單元結(jié)點處的自由度必須按照零件間的機構(gòu)運動特點進(jìn)行自由度釋放。在定義單元屬性時，還需考慮各零件典型剖面的幾何特征。

圖3 旋翼機械混合式操縱系統(tǒng)有限元模型

5 強度與穩(wěn)定性

旋翼航空器適航規(guī)定(CCAR-27/29、CS-27/29、FAR27/29)中，飛行操縱系統(tǒng)必須進(jìn)行限制載荷與極限載荷計算。限制載荷—結(jié)構(gòu)承受限制載荷而產(chǎn)生的變形/位移應(yīng)處于材料特性的彈性范圍內(nèi)，卸載后，結(jié)構(gòu)具有恢復(fù)初始狀態(tài)而無永久變形的能力。極限載荷—結(jié)構(gòu)承受極限載荷而產(chǎn)生的變形/位移應(yīng)處于材料特性的塑性范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)具有保持持續(xù)受載狀態(tài)而無破壞的能力。極限載荷的目的是在充分考慮若干缺陷因素的基礎(chǔ)上保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性，如材料缺陷、加工制造缺陷、零件裝配缺陷及使用環(huán)境等。極限載荷為限制載荷乘以安全系數(shù)1.5。

操縱系統(tǒng)的強度設(shè)計包括零件關(guān)鍵剖面設(shè)計、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計及連接設(shè)計。涉及零件的強度計算包括駕駛桿、搖臂、扭軸等梁式構(gòu)件的復(fù)合應(yīng)力計算，重要連接接頭、支座及連接強度。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計包括操縱拉桿總體穩(wěn)定性和橫向彎曲自振基頻計算。連接強度需考慮接頭系數(shù)1.15，其中鋼索接頭取2.0。

通過運算全操縱線系有限元模型，可得到線系在各工況下的桿力、桿位移、線系位移、連管彎矩及應(yīng)力等，這可作為桿體穩(wěn)定性、連接件強度、桿體強度的計算輸入。同時，約束載荷可作為線系支座本體強度的設(shè)計輸入。圖4所示為旋翼縱向操縱的桿力分布圖。

圖4 某工況旋翼縱向操縱桿力(N)分布

5.1 扭管強度

通過Freebody得到單元結(jié)點載荷(力與力矩)，借助工程算法對零件截面尺寸與連接強度進(jìn)行設(shè)計。以扭矩管為例，扭管是具有實現(xiàn)縱向與側(cè)向操縱的復(fù)合運動功能的零件。扭管截面構(gòu)型與尺寸如圖5所示。

圖5 扭管端部截面尺寸(灰色區(qū)域)

計算扭管截面慣性矩Ix-x/y-y與扭轉(zhuǎn)慣性矩Jtor分別為：

(1)

扭管的材料屈服與極限應(yīng)力分別為σ0.2與σb。

扭管截面受彎曲拉(壓)應(yīng)力σM與扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τT分別為：

(2)

扭管截面的拉(壓)剪復(fù)合應(yīng)力σe為：

(3)

扭管的強度裕度M.S為：

(4)

5.2 扭管連接強度

中央扭管與右扭管的連接區(qū)域如圖6所示。

圖6 扭管螺栓連接處(紅色區(qū)域)

某操縱引起的扭矩T由n個螺栓傳遞，連接區(qū)的管壁厚度為t，扭管壁承受單個螺栓的擠壓力fbearing與擠壓應(yīng)力σbearing為：

(5)

扭管連接的擠壓強度裕度為：

(6)

一般情況下扭管連接處在三方向的受力較小，故不考慮。

5.3 桿的穩(wěn)定性

通過Patran的PCL二次開發(fā)命令，提取Rod單元的節(jié)點載荷Papplied(如圖7所示)，用以計算操縱桿的受拉強度、總體穩(wěn)定性及桿端連接強度。兩端鉸支操縱拉桿的許用失穩(wěn)壓縮載荷Pallow為：

(7)

兩端鉸支操縱拉桿的橫向彎曲自振基頻ω為：

(8)

圖7 某工況下尾槳操縱桿桿端載荷Papplied(N)

5.4 支座與搖臂強度

一般地，操縱系統(tǒng)的約束載荷可作為操縱線系安裝支座強度設(shè)計的輸入。將從有限元計算結(jié)果中提取的約束載荷施加到與約束位置連接的支座上，然后按照支座的連接形式選定邊界條件進(jìn)行計算。圖8為某型機的操縱桿系約束載荷與支座的Von-Mises(V-M)應(yīng)力云圖。

圖8 某工況下尾槳操縱桿系支座V-M應(yīng)力(MPa)

操縱桿系的連動是通過各種搖臂、復(fù)合搖臂傳遞駕駛員輸出的操縱力與力矩來實現(xiàn)的。搖臂組件的主要作用是傳遞兩端拉桿的拉壓載荷。若兩端拉桿的作用力不在同一平面上，那么由不共面產(chǎn)生的力矩需由搖臂轉(zhuǎn)軸承受。圖9所示為某型機的搖臂輸入載荷與其本體的V-M應(yīng)力分布。

圖9 某工況下橫向操縱搖臂V-M應(yīng)力(MPa)

6 剛度評估

操縱系統(tǒng)剛度的計算采用全機求解的方法，即將操縱系統(tǒng)及其機體支持結(jié)構(gòu)共同考慮，建立一個具有全機規(guī)模的有限元計算模型[7]。有限元結(jié)果是操縱系統(tǒng)剛度評估的計算值，可用作線系剛度評估的參考。

指標(biāo)值是依據(jù)操縱系統(tǒng)的使用要求確定的，是將載荷P施加于操縱桿端(手柄)或腳踏板求出加載點相對于初始坐標(biāo)的位移X，即施加單位載荷并在載荷方向產(chǎn)生的位移(mm/N)，最終通過操縱桿或腳踏板的力-位移實測曲線推導(dǎo)出實測值。判斷準(zhǔn)則是實測值不應(yīng)大于指標(biāo)值，參見第7節(jié)表3。

7 操縱系統(tǒng)靜力試驗

操縱系統(tǒng)限制載荷靜力試驗的目的是驗證適航規(guī)章CCAR/CS29.681條款的符合性要求，是判斷系統(tǒng)設(shè)計是否滿足系統(tǒng)的安全性與可靠性[8-13]。在進(jìn)行旋翼操縱系統(tǒng)試驗時，若某個線系(總距)加載，其他線系(縱向與橫向)分別按各自總行程的中立位置、極限位置與半行程位置進(jìn)行組合，航向試驗單獨加載。加載位置分別是操縱桿端(手柄)與腳踏中心，約束位置包括止動器(止動約束)、自動傾斜器助力器與操縱拉桿的連接處(旋翼約束)。圖10所示為某型機機械操縱系統(tǒng)地面靜強度與剛度試驗的測試裝置。

圖10 手柄、總距桿位移線狀傳感器與液壓助力器

該型機飛行操縱系統(tǒng)的力與位移實測值如圖11-圖14所示。

圖11 總距桿端力-位移實測值

圖12 縱向桿端力-位移實測值

圖13 橫向桿端力-位移實測值

圖14 航向腳蹬力-位移實測值

在總距桿、周期變距桿與腳踏處分別沿操縱方向(總距、縱向、橫向、航向)施加表1中的操縱力(±N)，操縱桿端與腳踏中心(加載點)上的位移均應(yīng)不大于表中的指標(biāo)值。表3中列舉出各操縱行為的實測值與理論值對比情況。

表3 某飛行機械式操縱系統(tǒng)剛度實測值與計算值對比

該型機的靜強度與剛度試驗表明，在試驗過程中，整個操縱線系無過度摩擦、變形及卡阻現(xiàn)象，限制載荷條件下零件無殘余變形，止動器無損壞。從表3得出，止動器約束下的線系剛度小于旋翼拉桿約束下的線系剛度，實測值大于理論值?？紤]試驗誤差，大部分實測結(jié)果符合剛度指標(biāo)要求。

8 結(jié)論

旋翼機飛行機械操縱系統(tǒng)的強度設(shè)計，必須嚴(yán)格執(zhí)行適航規(guī)章以及型號強度與剛度規(guī)范的要求。為篩選嚴(yán)重載荷工況，操縱系統(tǒng)的有限元建模必須考慮線系間的行程組合，包括中立位置、極限位置及半行程，同時必須通過靜力試驗得到驗證。

操縱系統(tǒng)的剛度評估應(yīng)建立在實際裝機狀態(tài)條件下的靜剛度試驗的基礎(chǔ)上。數(shù)值模擬應(yīng)考慮全系統(tǒng)狀態(tài)，即操縱系統(tǒng)與供其安裝的機身結(jié)構(gòu)同時考慮。通過對比計算值與試驗值，對計算模型進(jìn)行修正，從而降低迭代次數(shù)，提高工程設(shè)計效率。

基于旋翼機飛行操縱特點的飛行操縱系統(tǒng)的強度設(shè)計方法研究，可為操縱系統(tǒng)強度設(shè)計的技術(shù)路線選取提供參考，同時，對工程設(shè)計的規(guī)范化具有一定的指導(dǎo)意義。