某型無人機螺旋槳抗離心力強度研究

王 棟，馬春浩，王帥培

(西安愛生技術(shù)集團(tuán)有限公司 飛行器研發(fā)中心，陜西 西安 710065)

0 引 言

目前，中、小型低速無人機大多以活塞式發(fā)動機為動力，螺旋槳是其主要的推進(jìn)裝置，這類螺旋槳的主要特點是轉(zhuǎn)速高、定距、直徑小、前進(jìn)速度比較低[1-2]；與硬鋁材料等金屬材料相比，樺木、山毛櫸等木材不僅具有重量輕、強度高等特點，還可以有效地降低雷達(dá)波的反射，因此中、小型無人機螺旋槳多采用木質(zhì)材料。對木質(zhì)材料的基本要求是：木質(zhì)均勻、強度好和變形小，松木、櫸木、樺木和精制層板常作為螺旋槳材料[4]。

螺旋槳槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中，承受氣動載荷、離心載荷、1P載荷等，并且產(chǎn)生飛機前進(jìn)的推力和制動阻力[3]，某型無人機除了爬升、巡航、小角度盤旋等常規(guī)飛行狀態(tài)外，還存在大角度下滑飛行狀態(tài)，在該過程中螺旋槳轉(zhuǎn)速持續(xù)增大，可達(dá)到10 000 r/min以上，此時螺旋槳的離心力急劇增大，甚至?xí)雎菪龢某休d能力，使螺旋槳發(fā)生斷裂，從而發(fā)生安全事故，因此評估螺旋槳在無人機進(jìn)行大角度下滑過程中抗離心力強度顯得至關(guān)重要。筆者針對某型無人機的櫸木螺旋槳，應(yīng)用Patran/nastran分析軟件建立了有限元模型，施加離心載荷對其進(jìn)行了仿真分析，得到了螺旋槳的應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)，并通過螺旋槳的抗離心力強度試驗驗證了仿真分析的準(zhǔn)確性，保證了木質(zhì)螺旋槳的抗離心力強度滿足設(shè)計要求。

1 載荷計算

螺旋槳旋轉(zhuǎn)角速度以ω表示，質(zhì)量以m表示，質(zhì)心到槳旋轉(zhuǎn)中心的距離以r表示，則螺旋槳的離心力計算公式為：

F=mrω2

(1)

在Patran中添加離心力載荷只需設(shè)置轉(zhuǎn)速、材料密度即可，文中的螺旋槳為櫸木材質(zhì)，櫸木材料的材料參數(shù)如表1所列，假定大角度下滑時的轉(zhuǎn)速ω=11 000 r/min，則：

F=mrω2=59 237 N

(2)

2 有限元模型

在有限元網(wǎng)格選取中，相比于四面體單元，六面體單元在數(shù)值計算中有四面體單元無法比擬的優(yōu)勢，首先，六面體單元的計算精度明顯要高于四面體單元，四面體單元屬于常應(yīng)變單元，只存在一個應(yīng)力和應(yīng)變，沒有應(yīng)力梯度，而六面體單元是梯度單元，這樣可以準(zhǔn)確的描述梯度變化區(qū)域；其次，如果采用相同大小的單元尺寸，六面體網(wǎng)格劃分的單元數(shù)量要比四面體網(wǎng)格劃分的單元數(shù)量少得多，較少的單元數(shù)量意味著較少的有限元計算時間；最后，六面體網(wǎng)格更加接近被模擬的物理場。

文中采用Patran前處理軟件選用正六面體單元(Hex8)建立螺旋槳有限元模型，螺旋槳材料參數(shù)如表1所示，對螺旋槳施加給定的轉(zhuǎn)速為11 000 r/min，螺旋槳有限元模型如圖1所示。

3 計算結(jié)果及分析

采用上述有限元模型，對螺旋槳進(jìn)行了仿真分析，得到了螺旋槳在給定工況下的變形和應(yīng)力響應(yīng)。螺旋槳槳葉變形示意圖如圖2所示，螺旋槳應(yīng)力示意圖如圖3所示。

圖1 螺旋槳有限元模型 圖2 螺旋槳變形示意圖

從圖2可以看出，由于根部固定，槳葉最大變形在槳尖處，約為1.76 mm。從圖3可以看出，槳葉根部附近的應(yīng)力最大，最大Von mises應(yīng)力約為62.9 MPa，從表1可知螺旋槳的強度極限為75 MPa，因此安全裕度為：

(3)

螺旋槳的靜強度滿足設(shè)計要求。

4 強度試驗

為了驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對螺旋槳做地面抗離心力強度試驗，將螺旋槳通過夾具安裝在電子萬能試驗機上，在試驗設(shè)定條件下對槳葉進(jìn)行加載，試驗裝夾情況如圖4所示。

圖3 螺旋槳最大Von mises 圖4 螺旋槳試驗裝 應(yīng)力云圖 夾情況

此次試驗加載過程為：對槳葉從0 開始加載至40 kN(67%使用載荷)，保持載荷滿5 min后停機，檢查試驗件及試驗設(shè)備，如果槳葉正常，繼續(xù)對槳葉從0開始加載至59 kN(100%使用載荷)，保持載荷滿5 min后停機，檢查試驗件及試驗設(shè)備，如果槳葉正常，繼續(xù)對槳葉從0開始加載至槳葉斷裂，并記錄斷裂時的載荷數(shù)據(jù)。

試驗結(jié)果表明：

(1) 在試驗設(shè)定條件下對槳葉進(jìn)行加載，試驗載荷達(dá)到40 kN時，槳葉連接無松動，螺栓緊固無異常。

(2) 在試驗設(shè)定條件下對槳葉進(jìn)行加載，試驗載荷達(dá)到59 kN時，槳葉連接無松動，螺栓緊固無異常。

(3) 在試驗設(shè)定條件下對槳葉進(jìn)行加載，當(dāng)試驗載荷達(dá)到75 kN時，螺旋槳槳根兩側(cè)均發(fā)生開裂。

試驗件破壞加載情況如圖5～7所示，試驗件破壞如圖8所示。

圖5 加載到40 kN

圖6 加載到59 kN

圖7 加載到75 kN過程中槳根兩側(cè)斷裂

圖8 螺旋槳破壞情況

當(dāng)對槳葉從0開始加載至40 kN過程中，試驗夾持處出現(xiàn)松動，有卸載情況出現(xiàn)，因此圖5的加載曲線有拐折部分，經(jīng)調(diào)整后繼續(xù)加載未再出現(xiàn)問題。

由公式(2)可以得出，仿真分析螺旋槳的安全裕度為0.19。因此螺旋槳發(fā)生破壞所需的載荷為：

F1=59 237×119%=70 492 N

(4)

由螺旋槳抗離心力強度試驗結(jié)果可知螺旋槳發(fā)生破壞所需的載荷為：

F2=75 000 N

(5)

仿真分析結(jié)果與強度試驗結(jié)果的差值為：

(6)

由公式(6)可以看出，仿真分析結(jié)果與強度試驗結(jié)果的誤差小于10%，說明試驗結(jié)果與計算結(jié)果基本吻合，抗離心力強度試驗結(jié)果驗證了仿真計算的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

針對某型無人機的櫸木螺旋槳，應(yīng)用Patran/nastran軟件建立了有限元模型，施加離心載荷對其進(jìn)行了仿真分析，并對螺旋槳進(jìn)行了地面抗離心力強度試驗，通過仿真分析和強度試驗結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1) 仿真結(jié)果顯示，在離心載荷作用下，螺旋槳的最大變形發(fā)生在槳尖處，最大應(yīng)力發(fā)生在槳根處，約為62.9 MPa，滿足螺旋槳的破壞強度設(shè)計要求；

(2) 地面抗離心力強度試驗結(jié)果顯示，在試驗載荷達(dá)到75 kN時，螺旋槳槳根處發(fā)生破壞；

(3) 強度試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果誤差小于10%，驗證了仿真分析的準(zhǔn)確性。