直升機復合材料前緣錐體優(yōu)化設計研究

姜大成 熊俊卿 門坤發(fā) 王金亮 尹洪國

摘 要：建立直升機復合材料前緣錐體有限元模型，根據(jù)影響結(jié)構(gòu)剛度和強度的參數(shù)對該有限元模型進行修正，使模型達到工程應用精度的要求，分析批量產(chǎn)生的前緣錐體變形不合格數(shù)據(jù)，利用修正的有限元模型進行加強方案的確定，根據(jù)不合格數(shù)據(jù)范圍選擇不同的結(jié)構(gòu)加強方案，根據(jù)加強方案補強后的前緣錐體，裝配到垂尾上后進行剛度試測試后滿足了剛度指標要求。

關(guān)鍵詞：復合材料;CAE;有限元;剛度;變形

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0081-02

0 引言

隨著計算機軟件和有限元分析技術(shù)的發(fā)展，CAE仿真技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)中的作用已經(jīng)無可替代。隨著CAE應用的普及，工程技術(shù)人員對CAE結(jié)果的可靠性也提出了更高的要求，任何減小CAE結(jié)果與實機測試結(jié)果的差距，稱為CAE工程技術(shù)熱暖需要解決的首要問題。將實機測試結(jié)果與CAE分析結(jié)果進行比較，通過調(diào)整CAE模型或者改變實機測試方法來減少計算機仿真與物理實機測試結(jié)果之間的差距，從而降低模擬模型的誤差。

直升機復合材料前緣錐體剛度指標要求較高，生產(chǎn)產(chǎn)品出現(xiàn)了多架次剛度指標不合格現(xiàn)象，通過分析不合格的剛度測試數(shù)據(jù)，利用修正的前緣錐體的有限元模型，通過計算分析找出影響結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)鍵因素和位置，結(jié)合工藝可實施性、影響外觀以及增重等方面確定了最佳修復方案，根據(jù)修復后剛度測試結(jié)果，滿足了剛度要求，為公司挽回大量的經(jīng)濟損失，同時也積累了處理前緣錐體剛度不合格問題的修復方案。

1 前緣錐體的剛度測試及影響因素分析

直升機涵道垂尾結(jié)構(gòu)，尾槳葉位于涵道內(nèi)部，尾傳動軸通過前緣錐體，因此，涵道垂尾結(jié)構(gòu)除了要求滿足強度要求之外，還需要滿足一定的剛度指標，剛度測量點以及試驗的加載點示意圖如圖1所示。其剛度指標主要是檢查產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。前緣錐體剛度要求嚴格的因素是考慮尾傳動結(jié)構(gòu)和涵道內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，要求在整個服役期間各種飛行姿態(tài)下尾傳動軸和涵道內(nèi)環(huán)的尾槳葉都不會與前緣錐體或者涵道發(fā)生干涉，如果產(chǎn)生干涉，會影響飛行安全，產(chǎn)生不可預期的甚至災難性的后果，因此，必須使其滿足一定的剛度指標要求。

在進行剛度測試時，對前緣錐體的頂部位置施加一定的載荷，上圖給出了位移傳感器布置位置，C1和C2點是變形測試點，其中給出C1點的變形數(shù)據(jù)為：撓度值13mm<測量值<14.9mm，殘余值<1.0mm作為變形檢測合格判定的依據(jù)。

為了使剛度不合格前緣錐體產(chǎn)品達到合格標準，通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其整體剛度值至少要提高2%能使不合格產(chǎn)品的9件中的7件滿足要求，整體剛度至少提高4%能使所有的不合格數(shù)據(jù)均能滿足要求。依據(jù)這個指標，對前緣錐體的加強方案進行確定。同時，生產(chǎn)車間對于該批次變形不合格原因進行了分析，分析結(jié)果如表1所示，其中主要原因更換材料后其彈性模量與先前的材料的彈性模量略低，同時在成型過程中，其固化參數(shù)選擇不合理是可能產(chǎn)生變形不合格的主要因素。

2 前緣錐體有限元模型的建立和修正

針對前緣錐體建立有限元模型，根據(jù)分析結(jié)果給出加強方案。調(diào)整有限元模型的材料參數(shù)，在有限元模型中，層壓板的參數(shù)彈性模量和厚度均取的均值，因此，計算模型時的剛度時數(shù)據(jù)是滿足要求的，邊界條件，在連接螺栓對應的點位置約束X、Y、Z三個平動方向，在前緣錐體連接框的其它位置約束面外的方向，在直升機上對應的是測試剛度位置施加試驗所用的載荷。變形測量選取與實際位置一致，從圖2有限元的變形云圖可見，在剛度測試對應的C1點計算變形13.7mm，在標準值13.0～14.9mm之間，表明利用V&V修正的前緣錐體有限元模型可靠度在工程可接受的范圍。

從圖2有限元變形曲線可見：

在“圓筒”邊緣位置變形1.79mm，變形隨著剖面剛度的減少而逐漸變大至變形測量點。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析分析，初步的加強方案如下，主要是分層三段：

以最大變形15.54mm計，需要在變形點處剛度處在最大載荷作用下變形比初始變形減少0.08mm即能滿足要求，因此這里給出減少0.1mm進行剛度增加。

3 對前緣錐體的加強方案

根據(jù)對結(jié)構(gòu)形式分析和從計算結(jié)果的變形情況對結(jié)構(gòu)給出加強方案，同時還要滿足如下條件：

不會引起結(jié)構(gòu)強度較大幅度的變化或引起結(jié)構(gòu)傳力路線的變化;結(jié)構(gòu)的變形趨勢不能改變;對總體剛度貢獻率最高;結(jié)構(gòu)重量增加最小;可實施性好。鑒于以上幾條，對前緣錐體的加強方案如下：

加強方案1：在前緣錐體“圓筒”位置上下各增加一層織物;加強方案2：在前緣錐體“圓筒”位置上半位置增加一層織物;加強方案3：在前緣錐體“圓筒”位置下半位置增加一層織物;加強方案4：在前緣錐體上部前梁緣條上增加一層織物和一層單向帶;以及以上方案的兩種或者三種組合。

按以上加強方案對結(jié)構(gòu)進行極強，其計算結(jié)果匯總?cè)缦?，其中根?jù)剛度提高率對原始狀態(tài)的前緣錐體變形測量值[13.0，14.9]進行放大。將以上四種加強方案的計算結(jié)果匯總，同時根據(jù)計算結(jié)果對其進行某兩種工況進行組合計算，根據(jù)提高的剛度將原來的合格剛度值進行放大，也就是根據(jù)加強后剛度的合格范圍值可以選擇對應的加強方案。該結(jié)果值經(jīng)過有限元模型進行修正的結(jié)果，因此結(jié)果是可靠。

將不合格的前緣錐體按照表2的加強方案進行修理，修理后裝配到涵道垂尾后，經(jīng)過對涵道垂尾再次進行變形測量，其涵道垂尾的變形合格值為：C1點變形和和殘余撓度值13mm<測量值<14.8mm，殘余值<0.6mm;C3點變形和殘余撓度值28mm<測量值<32mm，殘余值<1.2mm。按照加強方案對剛度偏弱的前緣錐體進行相應的加強，加強后組裝到涵道垂尾上后進行變形測試，其測試結(jié)果滿足要求，進一步驗證了前緣錐體在變形測試中滿足要求的范圍內(nèi)裝配到涵道垂尾結(jié)構(gòu)中才能滿足要求。

4 結(jié)語

對這批變形不合格前緣錐體按照確定的有限元模型計算結(jié)果進行修理方案的確定，并將修理后的結(jié)構(gòu)裝配到涵道垂尾上，變形測量結(jié)果表明涵道垂尾滿足變形和殘余指標要求，通過此次修理掌握了對于前緣錐體變形不合格的修理方案，根據(jù)變形的偏離情況選擇合理的加強方案。

參考文獻

[1] 劉鴻莉，趙明華，呂海霆，等.CAE技術(shù)及V&V方法在機械結(jié)構(gòu)剛度分析重的應用[J].機械設計與制造工程，2017，46（2）：100-102.

[2] 王瑞利，溫萬治.復雜工程建模和模擬的驗證與確認[J].計算機輔助工程，2014，23（4）：61-68.

[3] 詹振飛，胡潔，符雁，等.虛擬樣機環(huán)境下不確定性多元動態(tài)系統(tǒng)模型驗證[J].機械工程學報，2012，48（5）：138-146.

[4] 孫勇成，馬艷琴，周獻中，等.建模與仿真中驗證與確認的測試與評估實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學報，2005，17（10）：2317-2320.