某型无人直升机旋翼系统线刚度分析新视角：有限元方法深入解析

摘  要：

主旋翼操纵系统是直升机的关键部件，其线刚度直接关系到无人直升机的飞行安全。现基于有限元分析方法，采用ANSYS软件计算了某型无人直升机主旋翼操纵系统的线刚度，为主旋翼系统的设计提供依据。

关键词：无人直升机；操纵系统；线刚度

0  引言

无人直升机主旋翼操纵系统包括舵机系统、自动倾斜器系统、防扭臂组件及推拉杆组件等。采用外置式操纵系统，自动倾斜器分为动环和不动环，分别用于连接变距拉杆和主舵机。操纵过程中，主舵机通过推、拉不动环，动环推、拉变距拉杆，进而驱动旋翼系统完成总距及周期变距操纵。操纵系统作为重要组件，将舵机产生的运动控制桨毂进而操纵主旋翼。操纵系统的安全与否直接关系到直升机的安全飞行，材料的选择关系到其线刚度及疲劳性能的好坏^[1]，要承受较大的交变载荷^[2-3]。与所有旋转结构一样，旋转交变载荷导致操纵组件的塑性变形及疲劳断裂，尤其是连接处的断裂，严重威胁桨毂的使用安全，而且疲劳断裂会导致直升机坠毁^[3-4]，同时操纵系统的线性刚性与旋翼颤振直接相关，会引起直升机的气弹稳定性问题，所以操纵系统线刚度的设计是否满足设计要求直接关系到直升机的飞行安全。

1  有限元建模及分析

1.1  建模方法

某型无人直升机主桨毂操纵系统组件的几何模型如图1所示，几个主要部分通过螺栓、轴承连接而成，部分局部连接部件如图2所示。由于连接部件过于复杂，且本文研究的重点不是局部细微的应力、应变情况，因此对该几何模型进行了简化处理，如图3所示。

1.2  实体建模

在ANSYS软件中可供选用的solid单元中，四面体单元不如六面体单元计算精度高，特别是涉及小孔边缘等应力集中区域^[5-6]。由于主轴在小孔处施加扭矩时两端的应力几乎为零，因此建模时忽略了一些影响网格划分的倒角，同时为了方便网格划分忽略了加载孔处的倒角。划分网格时，在ANSYS软件中将实体模型分割成若干个小实体，从而可以通过自适应网格划分出需要的六面体网格，采用solid45单元对模型进行网格划分，如图4、图5所示，共计553 629个单元、148 679个节点。

根据其几何连接关系，对各部件连接做以下处理：舵机推杆和杆端轴承通过CP连接、杆端轴承和不动环、杆端轴承和动环通过中心节点建立MPC单元进行连接；在动环中建立中心节点局部坐标系约束其内壁，使其在主轴上转动和滑动，具体如图4所示。在两个变距拉杆中心各施加1 000 N集中力。

1.3  材料设置

操纵系统组件材料参数具体如表1所示。

2  计算结果

基于Catia模型文件，采用HyperMesh进行几何处理和单元划分，采用ANSYS软件基于工况进行加载计算，计算结果如表2所示。结构整体位移云图如图6所示。

3  结语

本文基于有限元分析方法，对某型无人直升机主旋翼操纵系统的线刚度进行了研究，结果表明，针对主旋翼操纵系统的选材符合主旋翼操纵系统线刚度的设计要求，能满足工程实际需要，同时操纵系统的选材对操纵系统线刚度的影响比较大，在选取材料时应当严格控制其应变，防止因材料参数不符合要求而导致结构失效。

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