人造海参王克选;姜年朝;张逊;戴勇;张志清
【摘 要】为保证风洞试验设备的安全,吹风对象固定机构的强度和刚度要满足要求.利用CATIA建立某无人直升机风洞吹风试验固定机构的三维模型,基于ANSYS软件模拟该无人直升机吹风试验的典型工况,得到固定机构在典型工况下的应力和变形值,确定固定机构的设计方案.这种CAD/CAE一体化的设计,能较大提高设计效率,为其他结构设计提供借鉴.该固定机构已经安全应用于某无人直升机的吹风试验. 【期刊名称】《现代机械》
【年(卷),期】2013(000)001
【总页数】4页(P23-25,28)
【关键词】无人直升机;固定机构;吹风试验;有限元分析
【作 者】王克选;姜年朝;张逊;戴勇;张志清
【作者单位】总参六十所,江苏南京 210016;总参六十所,江苏南京 210016;南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京 210016;总参六十所,江苏南京 210016;总参六十所,江苏南京 210016;总参六十所,江苏南京 210016
【正文语种】中 文
【中图分类】V211;TH114
0 引言
风洞试验是测量飞行器空气动力性能的有效手段［1，2］。某无人直升机在全尺寸吹风试验时，通过固定机构把测量天平和直升机起落架连接起来，如图1 所示，再通过四个螺钉将上耳片与框架底部相连接，该固定机构承受吹风直升机的重量以及干扰阻力。为保证风洞中吹风设备的安全和试验结果的准确性，固定连接结构必须满足强度、刚度、重量、气动等多方面的要求和限制［3，4］。
CATIA 是一种功能强大的CAD/CAE 一体化集成软件，广泛应用于航空、航天产品设计，其不但可以建立机械数字模型，而且还具有初步的有限元分析功能［5，6］。ANSYS 软
件是一种功能强大的CAE分析软件，能比较精确模拟现实世界的物理现象［7］。本文结合这两种软件的优点，利用CATIA 的建模和初步分析功能，建立四种固定机构的方案模型，并采用CATIA 的初步分析模块，进行有限元网格的自动划分和有限元分析计算［5，8］，以此来验证设计方案是否满足强度要求。优选一种固定机构方案，并用ANSYS 软件校核该方案的强度和刚度，验证方案的合理性和可行性［7，9］。
古代蹴鞠用什么做的1 固定机构三维模型
根据吹风直升机的尺寸要求以及固定机构的不同刚度要求，采用CATIA 设计了固定机构四种方案的连接架模型，如图2 所示。
为较快地优选方案，不考虑实际吹风过程中工况对连接架的影响，在CATIA 中利用Generative Structural Analysis 模块对模型进行有限元粗略估计［8，10］。估算时，分别在四种模型的连接框架每一个脚上加600kg 的力，对比四种模型的应力分布。估算时，模型的材料参数如表1 所示，各模型的最大应力与位移值如表2 所示。
表1 固定机构的力学性能参数材料屈服极限σs(MPa)抗拉极限σb(MPa)弹性模量E(MPa)泊松比μ 20#钢2454102.11 ×105 0.3 30CrMnSi 钢88510802.11 ×105 0.3
表2 四种模型的最大应力与位移值模型最大应力(MPa)最大位移(mm)最大位移出现位置模型一32915.90工装前方两个腿部模型二2598.77工装前方两个腿部模型三1894.48工装四个腿部模型四1573.73工装四个腿部
高效渗透剂由表2 可知，模型四的最大应力和最大变形值最小，应力分布均匀，该模型较为合理。因此选定该模型为某无人直升机风洞吹风试验的固定结构。
2 有限元分析
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由于直升机在风洞吹风试验中有多种姿态，因此将按照直升机多种姿态对固定机构进行强度和刚度校核，并给出各部件的安全系数，从而确定出各部件的可行性。分析时选用HyperMesh 软件对模型进行网格划分，将模型导入其中，划分完网格，再将有限元模型导入ANSYS 计算［9，11］。
选取SOLID45 单元对起落架、上耳片、螺栓进行网格划分，选取SOLID95(板)固体结构单元对固定机构连接框架进行网格划分。网格划分完后，总节点数为1741600，总单元数为902462，有限元模型图如图3 所示。
电梯门机系统
固定机构同时承受着直升机的重力和吹风带来的空气阻力，阻力和直升机自身的重力如表3 所列，一共分7 种情况:①俯28°;②仰28°;③侧32°;④俯28°且侧32°;⑤仰28°且侧32°;⑥侧90°且俯30°;⑦侧90°且仰30°。
表3 施加的载荷工作状况阻力大小(N) 重力大小(N)①俯28°2209(纵向)②仰28°2209(纵向)③侧32°3324(纵向)④俯28°且侧32°1561(纵向)⑤仰28°且侧32°1561(纵向)⑥侧90°且俯30°1600(横向)⑦侧90°且仰30°1600(横向)5000
为简化计算，将该无人直升机的重力和所受到的空气阻力都集中到一参考节点上，利用MPC184单元将载荷施加在该参考节点上，通过MPC184 刚性单元来传递施加的载荷。参考节点选在底板中心正上方1 200 mm 处。约束则施加在板上的螺栓孔上，采用固支的方式，最终有限元模型如图4 所示。
连接框架材料为20#钢，上接头耳片和螺栓的材料为30CrMnSi，其力学性能参数见表1。
经过计算整个固定机构的等效应力云图如图5所示，连接框架的等效应力云图如图6 所示。由图中可以看出，连接框架最大应力出现在框架的脚部，并且在各杆上的应力分布是均匀的，这与CATIA 初步分析一致。
固定机构在不同状态下所对应的各部件最大应力以及最大变形如表4 所示，各危险点的安全系数如表5 所示。
由表4 及表5 可见，在所给的计算载荷下，各种情况下螺栓的强度安全系数均超过2.5，满足强度要求。接头耳片选择30CrMnSi 钢，其安全系数也都超过2.5，因此该固定机构是切实可行的。
根据该设计方案加工出固定机构，确保该无人直升机的吹风试验的成功，从而验证了计算的正确性和固定机构的可行性。
表4 分析的结果(应力单位为:MPa;变形单位为:mm)工作状况上耳片最大应力螺栓上最大应力框架脚部最大应力最大变形①俯28°47.713129.07286.680 1.031②仰28°77.180167.79092.710 1.782③侧32°91.700183.11073.700 2.175④俯28°且侧32° 37.830131.87078.580 1.650⑤仰28°且侧32° 07.513203.72683.600 2.576⑥侧90°且俯30° 26.300136.80957.185 2.470⑦侧90°且仰30° 88.750121.26173.457 1.783
表5 危险点安全系数工作状况上耳片螺栓上框架脚部①俯28°5.99136.85662.8265②仰28°4.
99495.27452.6426③侧32°4.38304.83323.3243④俯28°且侧32°6.42106.71123.1178⑤仰28°且侧32°8.23164.34412.9306⑥侧90°且俯30°7.00716.46894.2843⑦侧90°且仰30°4.68877.29833.3353
3 结论
运用CATIA 建立固定机构的三维模型，基于ANSYS 软件进行有限元分析，确定无人直升机吹风试验的固定机构。这种采用CATIA 建模设计和并行估算，初步确定设计方案，最后运用ANSYS 精确分析的方法，提高了设计效率。这种CATIA 和ANSYS 的一体化设计分析方法可提前发现问题并加以解决，既降低了成本，也为今后的设计开发工作提供了经验。该固定机构已经成功应用于某无人直升机的风洞试验，强度和刚度满足试验要求。由于计算时将钢管和板子当作一个整体，虽然此处的安全系数都超过了2.5，但未考虑钢管和板子以及钢管与接头耳片之间的焊接关系，加工时应该注意焊接工艺。
参考文献氨基硅油乳液
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