高壓水炮系統(tǒng)水箱與連接件靜態(tài)特性分析

李忠群，劉 陽(yáng)，鄒向巧

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.湖南翔為通用航空有限公司，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

隨著生態(tài)文明建設(shè)推進(jìn)，我國(guó)森林蓄積量增加、林下可燃物增多，加之全球氣候變暖加劇了森林防火形勢(shì)。此外，高層建筑增多，滅火難度加大。傳統(tǒng)滅火設(shè)備已無(wú)法應(yīng)對(duì)復(fù)雜的森林地形和增多的高層建筑給消防滅火工作帶來(lái)的挑戰(zhàn)[1-3]。因此，如何有效應(yīng)對(duì)森林火災(zāi)和高層建筑火災(zāi)成為全球性難題[4]。

直升機(jī)吊桶滅火系統(tǒng)機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)迅速、攜帶水量較大，能夠在一定程度上解決森林和高層建筑火災(zāi)問(wèn)題[5]。近年來(lái)，高壓水炮系統(tǒng)，包括Ka-32、AC313和H425等直升機(jī)水炮系統(tǒng)[6]備受科研工作者們關(guān)注，通過(guò)在消防直升機(jī)上外掛水箱并配合使用高壓水炮，不僅提高了滅火精度和效率，同時(shí)保持了直升機(jī)機(jī)動(dòng)性。這種系統(tǒng)在高層建筑和森林火災(zāi)滅火中被認(rèn)為是最佳選擇[7]。

直升機(jī)外掛水炮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)其飛行安全至關(guān)重要。水箱的結(jié)構(gòu)會(huì)影響其承載能力和質(zhì)量，為了減輕質(zhì)量，可以采用碳纖維復(fù)合材料替代輕質(zhì)合金材料[8]。此外，關(guān)鍵的連接件在工作狀態(tài)下需要承受載荷、振動(dòng)和外部作用力，必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度。結(jié)合水箱的形狀、尺寸和安裝要求，設(shè)計(jì)和制造合適的連接件以確保直升機(jī)和水箱之間可靠連接，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高壓水炮系統(tǒng)的功能至關(guān)重要。因此，為防止結(jié)構(gòu)問(wèn)題引發(fā)安全事故，在設(shè)計(jì)外掛水箱和關(guān)鍵連接件時(shí)，必需對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，確保外掛水箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度符合適航標(biāo)準(zhǔn)。

有關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的研究非常廣泛。李劍英等[9]使用Ansys對(duì)電動(dòng)汽車電池箱進(jìn)行了靜態(tài)特性和模態(tài)分析，通過(guò)修改結(jié)構(gòu)參數(shù)提高了系統(tǒng)剛度。李忠群等[10]對(duì)數(shù)控激光機(jī)床的整機(jī)和關(guān)鍵部件進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)特性分析，并提出了優(yōu)化方案。席建普等[11]利用Workbench，對(duì)內(nèi)嵌式快刀伺服裝置進(jìn)行了有限元仿真，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Zhang X.Q.等[12]通過(guò)靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)連接空投系統(tǒng)與飛機(jī)的支座上部靠近雙耳孔處易產(chǎn)生應(yīng)力集中。He Z.K.等[13]對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料制成的風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了靜力結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明，在最大載荷下，葉片有限元模型處于安全范圍內(nèi)。對(duì)于大型結(jié)構(gòu)和復(fù)雜測(cè)試設(shè)備而言，實(shí)驗(yàn)分析方法耗時(shí)耗力，而有限元法因其廣泛的適用性和靈活性，在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

綜觀已有研究，雖然直升機(jī)外掛高壓水炮系統(tǒng)被認(rèn)為是解決森林防火和高層建筑火災(zāi)的有效方案，但已有研究尚未對(duì)該系統(tǒng)的水箱和連接件進(jìn)行適航驗(yàn)證。因此，本研究擬對(duì)自主設(shè)計(jì)的高壓水炮系統(tǒng)的水箱及其連接件進(jìn)行驗(yàn)證，即利用有限元法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。首先，利用SolidWorks軟件對(duì)高壓水炮系統(tǒng)的水箱及其連接件進(jìn)行有限元建模，然后進(jìn)行靜力學(xué)分析，以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，以期能在確保滅火直升機(jī)的功能和飛行安全的前提下，提高其滅火效率。

2 有限元模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks軟件構(gòu)建自主設(shè)計(jì)的高壓水炮系統(tǒng)水箱及連接件三維模型，為提高有限元分析效率，在將三維模型導(dǎo)入有限元軟件前，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，具體包括：去除對(duì)分析結(jié)果影響較小的局部幾何特征，如倒角、圓角和螺紋孔等，以減少節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元數(shù)量，這在分析大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)尤為重要。因保密性要求，具體結(jié)構(gòu)尺寸從略，簡(jiǎn)化后高壓水炮系統(tǒng)的水箱及其連接件三維模型見(jiàn)圖1。

圖1 零件簡(jiǎn)化后的水箱及其連接件三維模型Fig.1 3D model of a simplified water tank with its connectors

本文采用四面體實(shí)體單元的補(bǔ)丁適形算法來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并針對(duì)不同的零件采用不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行調(diào)整。具體而言，箱體的上蓋板、下殼體和內(nèi)部隔板結(jié)構(gòu)尺寸較大，采用了30 mm的網(wǎng)格尺寸控制，前吊壓板、前吊扣L型板、前吊扣、后吊掛座、拉桿吊掛和拉桿為關(guān)鍵連接件，采用了10 mm的網(wǎng)格尺寸控制，而六角頭螺栓和六角螺母尺寸較小，則采用了2 mm的網(wǎng)格尺寸控制。水箱及其連接件的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 水箱及其連接件有限元網(wǎng)格模型Fig.2 Finite element mesh model of the water tank with its connectors

2.2 材料屬性確定

高壓水炮系統(tǒng)的水箱上蓋板、下殼體和內(nèi)部隔板均采用碳纖維與玻纖維的復(fù)合材料，其材料屬性如表1所示，各連接件的材料屬性如表2所示[14-15]。

表1 復(fù)合材料的材料屬性Table 1 Material properties of composite materials

表2 連接件的材料屬性Table 2 Material property of connectors

2.3 質(zhì)量校核

經(jīng)過(guò)計(jì)算，滿裝載情況下高壓水炮系統(tǒng)的總質(zhì)量為804.50 kg，低于1 000 kg，滿足飛行手冊(cè)和外部載荷加改裝要求，各零部件質(zhì)量如表3所示。

表3 高壓水炮系統(tǒng)各零部件質(zhì)量Table 3 Mass of various components of the high-pressure water cannon system kg

3 靜力學(xué)分析條件設(shè)置

消防水箱作為高壓水炮系統(tǒng)的儲(chǔ)水裝置，連接件用于實(shí)現(xiàn)消防水箱與直升機(jī)的有效和可靠固定。為了驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析是必不可少的[16]。

3.1 載荷設(shè)置

根據(jù)引用的適航標(biāo)準(zhǔn)[17]規(guī)定，有人外掛載重的旋翼航空器外掛物的吊掛設(shè)備，要承受等于3.5或某一較小但不小于2.5的系數(shù)乘以最大外掛物的質(zhì)量所產(chǎn)生的限制靜載荷。考慮到直升機(jī)操作限制、外界環(huán)境條件和飛行員操縱行為等因素，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用最大限制載荷系數(shù)3.5。極限載荷應(yīng)按限制載荷的1.5倍施加，外掛載荷的作用方向?yàn)榇怪狈较颉?/p>

直升機(jī)消防水箱中滅火液的最大限量為600 kg，對(duì)應(yīng)的載荷值為5 880 N，極限載荷值為30 870 N。這些載荷在-Z方向以均布?jí)毫π问绞┘釉谒湎職んw底面。為了計(jì)算效率和簡(jiǎn)化高壓水泵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將高壓水泵、電源和保護(hù)盒的重力以集中力的方式施加在其質(zhì)心位置上，使用遠(yuǎn)程點(diǎn)來(lái)表示。在該遠(yuǎn)程點(diǎn)的-Z方向上施加極限遠(yuǎn)程力2 474.75 N（見(jiàn)圖3）。對(duì)于前吊壓板、拉桿以及其他連接件和消防水箱，增加3.5倍的最大限制載荷和1.5倍的極限載荷，在Z方向上施加5.25倍的地球重力加速度，具體數(shù)值為-51 450 mm/s2。

圖3 遠(yuǎn)程點(diǎn)上施加遠(yuǎn)程力示意圖Fig.3 Schematic diagram of remote force applied on remote points

3.2 邊界條件

水箱內(nèi)部隔板與水箱殼體的接觸設(shè)定為綁定；前吊扣、前吊壓板和后吊掛座分別與水箱上蓋板表面設(shè)置為綁定連接；前吊壓板與前吊扣的L型板以及長(zhǎng)短拉桿與后吊掛座均采用螺栓進(jìn)行連接；螺栓與螺母之間采用綁定連接。連接件與螺栓、連接件與連接件、螺母與連接件之間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。螺柱和螺栓孔之間存在間隙，因此二者之間不設(shè)置接觸條件。對(duì)于4個(gè)拉桿吊掛的螺栓孔，施加固定約束。

4 有限元仿真結(jié)果

4.1 消防水箱

有限元仿真所得消防水箱的變形云圖和vonmises應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 消防水箱靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.4 Statics analysis results of the fire water tank

為了能更直觀地確認(rèn)最大變形量和最大應(yīng)力的相應(yīng)位置，分別從消防水箱的正面和反面進(jìn)行觀察，由圖4可以得知水箱的最大變形量為5.248 3 mm，其位于消防水箱箱底的排水口處，最大應(yīng)力為162.2 MPa，位于高壓水泵、電源及保護(hù)盒與消防水箱的安裝孔連接處。

4.2 連接件

各連接件具體位置如圖5所示。

圖5 各連接件位置圖Fig.5 Location diagram of each connector

4.2.1 后吊掛座

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

仿真分析所得后吊掛座的變形云圖和von-mises應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 后吊掛座靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.6 Static analysis results of the rear suspension seat

由圖6可知，左1后吊掛座最大變形量約為0.663 mm，位于耳片與左短拉桿的連接處，最大應(yīng)力為69.621 MPa，位于耳片螺栓孔處；左2后吊掛座最大變形量約為0.888 mm，位于底座靠近水箱質(zhì)心的一端，最大應(yīng)力為73.818 MPa，位于耳片與底座連接處；右1后吊掛座最大變形量約為0.881 mm，位于底座靠近消防水箱質(zhì)心的一端，最大應(yīng)力為53.876 MPa，位于耳片與底座連接處；右2后吊掛座最大變形量約為0.705 mm，最大應(yīng)力為85.516 MPa，均位于耳片螺栓孔處。

4.2.2 拉桿

仿真分析所得拉桿的變形云圖和von-mises應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖可知，左短拉桿的最大變形量約為0.608 mm，位于與左1后吊掛座連接的耳片部位，最大應(yīng)力為328.17 MPa，位于拉桿與耳片之間；右短拉桿的最大變形量約為0.654 mm，位于與右2后吊掛座連接的耳片部位，最大應(yīng)力為339.49 MPa，位于拉桿與耳片之間；左長(zhǎng)拉桿的最大變形量約為0.846 mm，最大應(yīng)力為218.51MPa，均位于拉桿與耳片之間；右長(zhǎng)拉桿的最大變形量約為0.853 mm，位于與右1后吊掛座連接的耳片部位，最大應(yīng)力為187.41 MPa，位于拉桿與耳片之間。

圖7 拉桿靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.7 Tie rod static analysis results

4.2.3 前吊壓板

仿真分析所得前吊壓板的變形云圖和von-mises應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 前吊壓板靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.8 Static analysis results of the front suspension pressure plate

由圖8可知，前吊壓板最大變形量約為0.853 mm，位于底座直角處，最大應(yīng)力為84.08 MPa，位于耳片螺栓孔處。

4.2.4 前吊扣L型板

仿真分析所得前吊扣L型板的變形云圖和vonmises應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 前吊扣L型板靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.9 Static analysis results of L-shaped plate with front suspension buckle

由圖9可知，前吊扣L型板的最大變形量約為0.265 mm，最大應(yīng)力為88.524 MPa，均位于安裝孔處。

4.2.5 前吊扣

仿真分析所得前吊扣的變形云圖和von-mises應(yīng)力云圖如圖10所示，由圖可得前吊扣的最大變形量約為0.290 mm，位于底座直角處，最大應(yīng)力為57.879 MPa，位于右側(cè)立柱中間處。

圖10 前吊扣靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.10 Static analysis results of the front suspension buckle

4.2.6 拉桿吊掛

仿真分析所得拉桿吊掛的變形云圖和von-mises應(yīng)力云圖如圖11所示。由圖11可知，左1拉桿吊掛的最大變形量約為0.094 8 mm，位于耳片下端，最大應(yīng)力為94.502 MPa，位于耳片外緣處；左2拉桿吊掛的最大變形量約為0.012 7 mm，最大應(yīng)力為51.664 MPa，均位于耳片螺栓孔周圍；右1拉桿吊掛的最大變形量約為0.021 8 mm，位于耳片外緣處，最大應(yīng)力為62.213 MPa，位于耳片螺栓孔處；右2拉桿吊掛的最大變形量約為0.168 mm，最大應(yīng)力為150.76 MPa，均位于耳片下端。

圖11 拉桿吊掛靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.11 Tie rod suspension static analysis results

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)SolidWorks軟件的三維建模和適當(dāng)簡(jiǎn)化，對(duì)自主設(shè)計(jì)的高壓水炮系統(tǒng)水箱及各連接件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得出以下結(jié)論：

1）消防水箱的靜力學(xué)分析結(jié)果顯示，其最大變形量約為5.248 mm，出現(xiàn)在消防水箱下殼體的排水口處；最大應(yīng)力為162.2 MPa，出現(xiàn)在高壓水泵、電源及保護(hù)盒與消防水箱的安裝孔連接處；連接件與消防水箱的連接處、水箱下殼體排水口處均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。最大應(yīng)力小于碳纖維復(fù)合材料的許用應(yīng)力值，最大變形量對(duì)水箱的使用影響較小，該零件符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2）連接件的靜力學(xué)分析結(jié)果顯示，后吊掛座、前吊壓板、前吊扣L型板和前吊扣的最大變形量為左2后吊掛座的0.888 mm，出現(xiàn)在其底座上。最大應(yīng)力為前吊扣L型板的88.524 MPa，出現(xiàn)在其安裝孔處。長(zhǎng)、短拉桿最大變形量為右長(zhǎng)拉桿的0.853 mm，出現(xiàn)在耳片部位。最大應(yīng)力為右短拉桿的339.49 MPa，出現(xiàn)在拉桿與耳片之間。拉桿吊掛最大變形量為右2處的0.168 mm，最大應(yīng)力為右2處的150.76 MPa，均出現(xiàn)在耳片下端。各連接件的最大應(yīng)力均小于其材料所允許的應(yīng)力破壞值，最大變形量較小，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）通過(guò)對(duì)高壓水炮系統(tǒng)水箱及其連接件的靜力學(xué)分析可知，在施加最大限制載荷系數(shù)和極限載荷系數(shù)后，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿載情況下仍具備足夠的強(qiáng)度與剛度?？梢?jiàn)該設(shè)計(jì)不僅符合適航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且確保了高壓水炮系統(tǒng)與直升機(jī)的結(jié)構(gòu)緊密連接。這為后續(xù)高壓水炮系統(tǒng)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。