旋翼機機械式飛行操縱系統強度設計方法研究

吳松楠

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

旋翼機機械式操縱系統設計在實現操作功能的前提下，應滿足強度設計要求與剛度指標。國內的旋翼機機械操縱系統設計依靠仿制、原有經驗并借助于固定翼操縱系統的設計方法，經過國內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計流程與驗證方法，在系統初步設計階段，確保系統設計的可行性與低迭代率，既保證系統強度又滿足剛度指標。

1 旋翼機飛行操縱系統功能

旋翼機飛行操縱系統由旋翼操縱、尾槳操縱及液壓助力器組成。飛行操縱主要改變旋翼系統與尾槳系統的槳葉迎角，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總距操縱，周期桿用于操縱槳葉周期變距以實現縱向和橫向操縱，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計規范、旋翼航空器適航規定(MIL-S-8698、FAR/CS/CCAR27/29等)中的駕駛員操縱力要求進行施加。表1列出了各規范規定的駕駛員操縱設計載荷。

表1 各規范規定的駕駛員操縱設計載荷

3 載荷工況與邊界條件

飛行操縱系統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，各雙飛行操縱系統必須能承受不小于表1規定的飛行員作用力的0.75倍所產生的載荷;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。

飛行操縱系統必須安裝在機身主傳力結構上，如框、梁、地板及平臺等。另依據操縱系統的設計要求與組件構型，參照旋翼類航空器適航規定(FAR/CS/CCAR27/29等)，操縱系統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、操縱系統同旋翼槳距操縱搖臂的連接件、操縱系統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 機械飛行操縱系統有限元模型

以某民用直升機的混合式操縱系統為例[4]，為得到全操縱線系的內力、位移與操縱系統支座的連接載荷，利用CAE平臺建立旋翼飛行操縱系統有限元模型，如圖3所示。按照操縱系統各零件的功能與傳載特點，選取具有相應力學特性的單元對零件進行模擬。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、面內載荷及彎/扭矩，可用梁單元(Bar/beam)進行模擬，且梁單元結點處的自由度必須按照零件間的機構運動特點進行自由度釋放。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有限元模型

5 強度與穩定性

旋翼航空器適航規定(CCAR-27/29、CS-27/29、FAR27/29)中，飛行操縱系統必須進行限制載荷與極限載荷計算。限制載荷—結構承受限制載荷而產生的變形/位移應處于材料特性的彈性范圍內，卸載后，結構具有恢復初始狀態而無永久變形的能力。極限載荷—結構承受極限載荷而產生的變形/位移應處于材料特性的塑性范圍內，結構具有保持持續受載狀態而無破壞的能力。極限載荷的目的是在充分考慮若干缺陷因素的基礎上保證結構設計的安全性，如材料缺陷、加工制造缺陷、零件裝配缺陷及使用環境等。極限載荷為限制載荷乘以安全系數1.5。

操縱系統的強度設計包括零件關鍵剖面設計、結構穩定性設計及連接設計。涉及零件的強度計算包括駕駛桿、搖臂、扭軸等梁式構件的復合應力計算，重要連接接頭、支座及連接強度。結構穩定性設計包括操縱拉桿總體穩定性和橫向彎曲自振基頻計算。連接強度需考慮接頭系數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、連管彎矩及應力等，這可作為桿體穩定性、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行設計。以扭矩管為例，扭管是具有實現縱向與側向操縱的復合運動功能的零件。扭管截面構型與尺寸如圖5所示。

圖5 扭管端部截面尺寸(灰色區域)

計算扭管截面慣性矩Ix-x/y-y與扭轉慣性矩Jtor分別為：

(1)

扭管的材料屈服與極限應力分別為σ0.2與σb。

扭管截面受彎曲拉(壓)應力σM與扭轉剪應力τT分別為：

(2)

扭管截面的拉(壓)剪復合應力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域如圖6所示。

圖6 扭管螺栓連接處(紅色區域)

某操縱引起的扭矩T由n個螺栓傳遞，連接區的管壁厚度為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 桿的穩定性

通過Patran的PCL二次開發命令，提取Rod單元的節點載荷Papplied(如圖7所示)，用以計算操縱桿的受拉強度、總體穩定性及桿端連接強度。兩端鉸支操縱拉桿的許用失穩壓縮載荷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，操縱系統的約束載荷可作為操縱線系安裝支座強度設計的輸入。將從有限元計算結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)應力云圖。

圖8 某工況下尾槳操縱桿系支座V-M應力(MPa)

操縱桿系的連動是通過各種搖臂、復合搖臂傳遞駕駛員輸出的操縱力與力矩來實現的。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，那么由不共面產生的力矩需由搖臂轉軸承受。圖9所示為某型機的搖臂輸入載荷與其本體的V-M應力分布。

圖9 某工況下橫向操縱搖臂V-M應力(MPa)

6 剛度評估

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

指標值是依據操縱系統的使用要求確定的，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的位移X，即施加單位載荷并在載荷方向產生的位移(mm/N)，最終通過操縱桿或腳踏板的力-位移實測曲線推導出實測值。判斷準則是實測值不應大于指標值，參見第7節表3。

7 操縱系統靜力試驗

操縱系統限制載荷靜力試驗的目的是驗證適航規章CCAR/CS29.681條款的符合性要求，是判斷系統設計是否滿足系統的安全性與可靠性[8-13]。在進行旋翼操縱系統試驗時，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)上的位移均應不大于表中的指標值。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。考慮試驗誤差，大部分實測結果符合剛度指標要求。

8 結論

旋翼機飛行機械操縱系統的強度設計，必須嚴格執行適航規章以及型號強度與剛度規范的要求。為篩選嚴重載荷工況，操縱系統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。

操縱系統的剛度評估應建立在實際裝機狀態條件下的靜剛度試驗的基礎上。數值模擬應考慮全系統狀態，即操縱系統與供其安裝的機身結構同時考慮。通過對比計算值與試驗值，對計算模型進行修正，從而降低迭代次數，提高工程設計效率。

基于旋翼機飛行操縱特點的飛行操縱系統的強度設計方法研究，可為操縱系統強度設計的技術路線選取提供參考，同時，對工程設計的規范化具有一定的指導意義。