直升機(jī)復(fù)合材料前緣錐體優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

姜大成 熊俊卿 門坤發(fā) 王金亮 尹洪國(guó)

摘 要：建立直升機(jī)復(fù)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(qiáng)度的參數(shù)對(duì)該有限元模型進(jìn)行修正，使模型達(dá)到工程應(yīng)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(jìn)行加強(qiáng)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(qiáng)方案，根據(jù)加強(qiáng)方案補(bǔ)強(qiáng)后的前緣錐體，裝配到垂尾上后進(jìn)行剛度試測(cè)試后滿足了剛度指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;CAE;有限元;剛度;變形

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）20-0081-02

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)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(wú)可替代。隨著CAE應(yīng)用的普及，工程技術(shù)人員對(duì)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(shí)機(jī)測(cè)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(wèn)題。將實(shí)機(jī)測(cè)試結(jié)果與CAE分析結(jié)果進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)整CAE模型或者改變實(shí)機(jī)測(cè)試方法來(lái)減少計(jì)算機(jī)仿真與物理實(shí)機(jī)測(cè)試結(jié)果之間的差距，從而降低模擬模型的誤差。

直升機(jī)復(fù)合材料前緣錐體剛度指標(biāo)要求較高，生產(chǎn)產(chǎn)品出現(xiàn)了多架次剛度指標(biāo)不合格現(xiàn)象，通過(guò)分析不合格的剛度測(cè)試數(shù)據(jù)，利用修正的前緣錐體的有限元模型，通過(guò)計(jì)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(shí)施性、影響外觀以及增重等方面確定了最佳修復(fù)方案，根據(jù)修復(fù)后剛度測(cè)試結(jié)果，滿足了剛度要求，為公司挽回大量的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也積累了處理前緣錐體剛度不合格問(wèn)題的修復(fù)方案。

1 前緣錐體的剛度測(cè)試及影響因素分析

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

在進(jìn)行剛度測(cè)試時(shí)，對(duì)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(diǎn)是變形測(cè)試點(diǎn)，其中給出C1點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)為：撓度值13mm<測(cè)量值<14.9mm，殘余值<1.0mm作為變形檢測(cè)合格判定的依據(jù)。

為了使剛度不合格前緣錐體產(chǎn)品達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)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(gè)指標(biāo)，對(duì)前緣錐體的加強(qiáng)方案進(jìn)行確定。同時(shí)，生產(chǎn)車間對(duì)于該批次變形不合格原因進(jìn)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(shí)在成型過(guò)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(duì)前緣錐體建立有限元模型，根據(jù)分析結(jié)果給出加強(qiáng)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(jì)算模型時(shí)的剛度時(shí)數(shù)據(jù)是滿足要求的，邊界條件，在連接螺栓對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位置約束X、Y、Z三個(gè)平動(dòng)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(jī)上對(duì)應(yīng)的是測(cè)試剛度位置施加試驗(yàn)所用的載荷。變形測(cè)量選取與實(shí)際位置一致，從圖2有限元的變形云圖可見(jiàn)，在剛度測(cè)試對(duì)應(yīng)的C1點(diǎn)計(jì)算變形13.7mm，在標(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)：

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(cè)量點(diǎn)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析分析，初步的加強(qiáng)方案如下，主要是分層三段：

以最大變形15.54mm計(jì)，需要在變形點(diǎn)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(jìn)行剛度增加。

3 對(duì)前緣錐體的加強(qiáng)方案

根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)形式分析和從計(jì)算結(jié)果的變形情況對(duì)結(jié)構(gòu)給出加強(qiáng)方案，同時(shí)還要滿足如下條件：

不會(huì)引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shì)不能改變;對(duì)總體剛度貢獻(xiàn)率最高;結(jié)構(gòu)重量增加最小;可實(shí)施性好。鑒于以上幾條，對(duì)前緣錐體的加強(qiáng)方案如下：

加強(qiáng)方案1：在前緣錐體“圓筒”位置上下各增加一層織物;加強(qiáng)方案2：在前緣錐體“圓筒”位置上半位置增加一層織物;加強(qiáng)方案3：在前緣錐體“圓筒”位置下半位置增加一層織物;加強(qiáng)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(qiáng)方案對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行極強(qiáng)，其計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦?，其中根?jù)剛度提高率對(duì)原始狀態(tài)的前緣錐體變形測(cè)量值[13.0，14.9]進(jìn)行放大。將以上四種加強(qiáng)方案的計(jì)算結(jié)果匯總，同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)其進(jìn)行某兩種工況進(jìn)行組合計(jì)算，根據(jù)提高的剛度將原來(lái)的合格剛度值進(jìn)行放大，也就是根據(jù)加強(qiáng)后剛度的合格范圍值可以選擇對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)方案。該結(jié)果值經(jīng)過(guò)有限元模型進(jìn)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(qiáng)方案進(jìn)行修理，修理后裝配到涵道垂尾后，經(jīng)過(guò)對(duì)涵道垂尾再次進(jìn)行變形測(cè)量，其涵道垂尾的變形合格值為：C1點(diǎn)變形和和殘余撓度值13mm<測(cè)量值<14.8mm，殘余值<0.6mm;C3點(diǎn)變形和殘余撓度值28mm<測(cè)量值<32mm，殘余值<1.2mm。按照加強(qiáng)方案對(duì)剛度偏弱的前緣錐體進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)，加強(qiáng)后組裝到涵道垂尾上后進(jìn)行變形測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果滿足要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了前緣錐體在變形測(cè)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(yǔ)

對(duì)這批變形不合格前緣錐體按照確定的有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(cè)量結(jié)果表明涵道垂尾滿足變形和殘余指標(biāo)要求，通過(guò)此次修理掌握了對(duì)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(qiáng)方案。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 王瑞利，溫萬(wàn)治.復(fù)雜工程建模和模擬的驗(yàn)證與確認(rèn)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2014，23（4）：61-68.

[3] 詹振飛，胡潔，符雁，等.虛擬樣機(jī)環(huán)境下不確定性多元?jiǎng)討B(tài)系統(tǒng)模型驗(yàn)證[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（5）：138-146.

[4] 孫勇成，馬艷琴，周獻(xiàn)中，等.建模與仿真中驗(yàn)證與確認(rèn)的測(cè)試與評(píng)估實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（10）：2317-2320.