高壓水炮系統水箱與連接件靜態特性分析

李忠群，劉 陽，鄒向巧

（1.湖南工業大學 機械工程學院，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

隨著生態文明建設推進，我國森林蓄積量增加、林下可燃物增多，加之全球氣候變暖加劇了森林防火形勢。此外，高層建筑增多，滅火難度加大。傳統滅火設備已無法應對復雜的森林地形和增多的高層建筑給消防滅火工作帶來的挑戰[1-3]。因此，如何有效應對森林火災和高層建筑火災成為全球性難題[4]。

直升機吊桶滅火系統機動靈活、反應迅速、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問題[5]。近年來，高壓水炮系統，包括Ka-32、AC313和H425等直升機水炮系統[6]備受科研工作者們關注，通過在消防直升機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，同時保持了直升機機動性。這種系統在高層建筑和森林火災滅火中被認為是最佳選擇[7]。

直升機外掛水炮系統的結構強度對其飛行安全至關重要。水箱的結構會影響其承載能力和質量，為了減輕質量，可以采用碳纖維復合材料替代輕質合金材料[8]。此外，關鍵的連接件在工作狀態下需要承受載荷、振動和外部作用力，必須具備足夠的強度和剛度。結合水箱的形狀、尺寸和安裝要求，設計和制造合適的連接件以確保直升機和水箱之間可靠連接，這對于實現高壓水炮系統的功能至關重要。因此，為防止結構問題引發安全事故，在設計外掛水箱和關鍵連接件時，必需對其進行靜力學分析，確保外掛水箱的結構強度和剛度符合適航標準。

有關機械結構靜力學分析的研究非常廣泛。李劍英等[9]使用Ansys對電動汽車電池箱進行了靜態特性和模態分析，通過修改結構參數提高了系統剛度。李忠群等[10]對數控激光機床的整機和關鍵部件進行了靜動態特性分析，并提出了優化方案。席建普等[11]利用Workbench，對內嵌式快刀伺服裝置進行了有限元仿真，并得到了實驗驗證。Zhang X.Q.等[12]通過靜力學分析，發現連接空投系統與飛機的支座上部靠近雙耳孔處易產生應力集中。He Z.K.等[13]對玻璃鋼復合材料制成的風力機葉片進行了靜力結構分析，結果表明，在最大載荷下，葉片有限元模型處于安全范圍內。對于大型結構和復雜測試設備而言，實驗分析方法耗時耗力，而有限元法因其廣泛的適用性和靈活性，在工程實踐中得到了廣泛應用。

綜觀已有研究，雖然直升機外掛高壓水炮系統被認為是解決森林防火和高層建筑火災的有效方案，但已有研究尚未對該系統的水箱和連接件進行適航驗證。因此，本研究擬對自主設計的高壓水炮系統的水箱及其連接件進行驗證，即利用有限元法對其進行結構靜力學分析。首先，利用SolidWorks軟件對高壓水炮系統的水箱及其連接件進行有限元建模，然后進行靜力學分析，以驗證其結構強度和剛度，以期能在確保滅火直升機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 網格劃分

采用SolidWorks軟件構建自主設計的高壓水炮系統水箱及連接件三維模型，為提高有限元分析效率，在將三維模型導入有限元軟件前，對其進行適當簡化，具體包括：去除對分析結果影響較小的局部幾何特征，如倒角、圓角和螺紋孔等，以減少節點和網格單元數量，這在分析大型復雜結構時尤為重要。因保密性要求，具體結構尺寸從略，簡化后高壓水炮系統的水箱及其連接件三維模型見圖1。

圖1 零件簡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

本文采用四面體實體單元的補丁適形算法來進行網格劃分，并針對不同的零件采用不同的網格尺寸進行調整。具體而言，箱體的上蓋板、下殼體和內部隔板結構尺寸較大，采用了30 mm的網格尺寸控制，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鍵連接件，采用了10 mm的網格尺寸控制，而六角頭螺栓和六角螺母尺寸較小，則采用了2 mm的網格尺寸控制。水箱及其連接件的有限元網格模型如圖2所示。

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

2.2 材料屬性確定

高壓水炮系統的水箱上蓋板、下殼體和內部隔板均采用碳纖維與玻纖維的復合材料，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 質量校核

經過計算，滿裝載情況下高壓水炮系統的總質量為804.50 kg，低于1 000 kg，滿足飛行手冊和外部載荷加改裝要求，各零部件質量如表3所示。

表3 高壓水炮系統各零部件質量Table 3 Mass of various components of the high-pressure water cannon system kg

3 靜力學分析條件設置

消防水箱作為高壓水炮系統的儲水裝置，連接件用于實現消防水箱與直升機的有效和可靠固定。為了驗證其是否滿足設計要求，對其進行靜力學分析是必不可少的[16]。

3.1 載荷設置

根據引用的適航標準[17]規定，有人外掛載重的旋翼航空器外掛物的吊掛設備，要承受等于3.5或某一較小但不小于2.5的系數乘以最大外掛物的質量所產生的限制靜載荷。考慮到直升機操作限制、外界環境條件和飛行員操縱行為等因素，本結構設計采用最大限制載荷系數3.5。極限載荷應按限制載荷的1.5倍施加，外掛載荷的作用方向為垂直方向。

直升機消防水箱中滅火液的最大限量為600 kg，對應的載荷值為5 880 N，極限載荷值為30 870 N。這些載荷在-Z方向以均布壓力形式施加在水箱下殼體底面。為了計算效率和簡化高壓水泵結構的復雜性，將高壓水泵、電源和保護盒的重力以集中力的方式施加在其質心位置上，使用遠程點來表示。在該遠程點的-Z方向上施加極限遠程力2 474.75 N（見圖3）。對于前吊壓板、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，具體數值為-51 450 mm/s2。

圖3 遠程點上施加遠程力示意圖Fig.3 Schematic diagram of remote force applied on remote points

3.2 邊界條件

水箱內部隔板與水箱殼體的接觸設定為綁定；前吊扣、前吊壓板和后吊掛座分別與水箱上蓋板表面設置為綁定連接；前吊壓板與前吊扣的L型板以及長短拉桿與后吊掛座均采用螺栓進行連接；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，摩擦系數設置為0.2。螺柱和螺栓孔之間存在間隙，因此二者之間不設置接觸條件。對于4個拉桿吊掛的螺栓孔，施加固定約束。

4 有限元仿真結果

4.1 消防水箱

有限元仿真所得消防水箱的變形云圖和vonmises應力云圖如圖4所示。

圖4 消防水箱靜力學分析結果Fig.4 Statics analysis results of the fire water tank

為了能更直觀地確認最大變形量和最大應力的相應位置，分別從消防水箱的正面和反面進行觀察，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，最大應力為162.2 MPa，位于高壓水泵、電源及保護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)，且各件產品是否為不合格品相互獨立．

仿真分析所得后吊掛座的變形云圖和von-mises應力云圖如圖6所示。

圖6 后吊掛座靜力學分析結果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心的一端，最大應力為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心的一端，最大應力為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，最大應力為339.49 MPa，位于拉桿與耳片之間；左長拉桿的最大變形量約為0.846 mm，最大應力為218.51MPa，均位于拉桿與耳片之間；右長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，最大應力為187.41 MPa，位于拉桿與耳片之間。

圖7 拉桿靜力學分析結果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應力云圖如圖8所示。

圖8 前吊壓板靜力學分析結果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應力云圖如圖9所示。

圖9 前吊扣L型板靜力學分析結果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，最大應力為57.879 MPa，位于右側立柱中間處。

圖10 前吊扣靜力學分析結果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，最大應力為150.76 MPa，均位于耳片下端。

圖11 拉桿吊掛靜力學分析結果Fig.11 Tie rod suspension static analysis results

5 結論

經過SolidWorks軟件的三維建模和適當簡化，對自主設計的高壓水炮系統水箱及各連接件進行了靜力學分析，得出以下結論：

1）消防水箱的靜力學分析結果顯示，其最大變形量約為5.248 mm，出現在消防水箱下殼體的排水口處；最大應力為162.2 MPa，出現在高壓水泵、電源及保護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了應力集中現象。最大應力小于碳纖維復合材料的許用應力值，最大變形量對水箱的使用影響較小，該零件符合設計標準。

2）連接件的靜力學分析結果顯示，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，出現在其底座上。最大應力為前吊扣L型板的88.524 MPa，出現在其安裝孔處。長、短拉桿最大變形量為右長拉桿的0.853 mm，出現在耳片部位。最大應力為右短拉桿的339.49 MPa，出現在拉桿與耳片之間。拉桿吊掛最大變形量為右2處的0.168 mm，最大應力為右2處的150.76 MPa，均出現在耳片下端。各連接件的最大應力均小于其材料所允許的應力破壞值，最大變形量較小，滿足設計標準要求。

3）通過對高壓水炮系統水箱及其連接件的靜力學分析可知，在施加最大限制載荷系數和極限載荷系數后，該系統結構設計在滿載情況下仍具備足夠的強度與剛度。可見該設計不僅符合適航標準規定，且確保了高壓水炮系統與直升機的結構緊密連接。這為后續高壓水炮系統的優化提供了理論依據。