無人直升機(jī)運(yùn)輸托架設(shè)計(jì)及仿真分析

涂善俊

利用ANSYS有限元軟件建立無人直升機(jī)運(yùn)輸托架結(jié)構(gòu)有限元模型，對無人直升機(jī)運(yùn)輸托架在艙內(nèi)和展開兩種狀態(tài)的加載情況進(jìn)行分析計(jì)算，獲得兩種狀態(tài)下托架兩側(cè)構(gòu)件的微小變形量和最大應(yīng)力值，得到的最大應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值235MPa，安全系數(shù)值也都在安全系數(shù)范圍1.2～2.5之間，無人直升機(jī)運(yùn)輸托架滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求和性能要求，能夠?yàn)檠兄坪蜕a(chǎn)提供有力保障。

中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

無人直升機(jī)運(yùn)輸車是無人直升機(jī)系統(tǒng)重要的配套保障設(shè)備，主要運(yùn)輸無人直升機(jī)及任務(wù)載荷設(shè)備、隨機(jī)工具、無人直升機(jī)使用的油料等配套設(shè)備物資。而無人直升機(jī)托架（下稱托架）是無人直升機(jī)運(yùn)輸車上的重要組成部分，安裝在車廂內(nèi)，在運(yùn)輸過程中用于固定無人直升機(jī)如圖1所示，吊裝和卸載無人直升機(jī)如圖2所示。在吊裝和卸載無人直升機(jī)時，托架需拉出艙體，拉出艙體后，托架需承載無人直升機(jī)的總重量。為正確設(shè)計(jì)且保證在艙內(nèi)和展開狀態(tài)下能承載無人直升機(jī)總重量的托架，滿足托架需要的剛度和強(qiáng)度，應(yīng)選用合適的材料，因此利用有限元分析軟件ANSYS對艙內(nèi)和展開兩種狀態(tài)的托架進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

托架選取及設(shè)計(jì)

運(yùn)輸無人直升機(jī)有很多方式.為安全可靠地運(yùn)輸無人直升機(jī)，必須選取合適的運(yùn)輸車托架。

無人直升機(jī)托架的選取

無人直升機(jī)托架通常有艙體尾板式移動托架、艙體側(cè)拉式抽拉托架如圖3所示，考慮無人直升機(jī)的尺寸、裝卸便捷、實(shí)用經(jīng)濟(jì)等因素，就需要選擇合適的托架。

本文以AV500無人直升機(jī)為運(yùn)輸對象，綜合考慮各種因素后選取抽拉托架進(jìn)行研究，由圖3（b）可知，艙內(nèi)安裝有2只托架，用以固定并短距離內(nèi)移動無人直升機(jī)，以便完成無人直升機(jī)的運(yùn)輸及裝卸。

托架設(shè)計(jì)

無人直升機(jī)托架主要由導(dǎo)軌、工裝框架、可調(diào)節(jié)支撐腿、壓框以及限位、減震裝置等組成，托架結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

托架結(jié)構(gòu)理論分析

結(jié)構(gòu)受力分析是計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力和應(yīng)變。結(jié)構(gòu)位移的目的是校核結(jié)構(gòu)的剛度，保證它在使用過程中不會發(fā)生過大的變形;而在結(jié)構(gòu)力學(xué)中計(jì)算位移的一般方法是以虛功原理為基礎(chǔ)。

原理分析

虛功原理適用于包括線彈性結(jié)構(gòu)在內(nèi)的任何變形體結(jié)構(gòu)，無論是靜定的還是超靜定的。為便于分析，將無人直升機(jī)運(yùn)輸托架簡化成梁結(jié)構(gòu)，對于彈性結(jié)構(gòu)，分別施加于托架上形成兩個彼此獨(dú)立的狀態(tài)如圖5所示，這就對應(yīng)了托架上無人直升機(jī)本身重量產(chǎn)生的載荷和運(yùn)輸過程中增加的載荷。

利用功能原理可以證明，若在結(jié)構(gòu)施加外力P1，并達(dá)到平衡后再施加內(nèi)力P2，使其產(chǎn)生位移和相應(yīng)的變形，則外力在其他原因引起的位移上所作的虛功，等于內(nèi)力在同一原因引起的相應(yīng)變形上所作的虛功，可簡單敘述為外力虛功等于內(nèi)力虛功，用公式（1）表示。

（1）

其中外力P1單獨(dú)作用下的平衡狀態(tài)稱為第一狀態(tài)，內(nèi)力P2單獨(dú)作用下的位移狀態(tài)稱為第二狀態(tài)。由于結(jié)構(gòu)是線彈性，內(nèi)力P2對結(jié)構(gòu)的作用效果與結(jié)構(gòu)上是否已有外力P1作用無關(guān)，所以圖中△12的與各微段的變形和12與各微段因P2作用產(chǎn)生的變形相同。這樣，虛功原理便可敘述為，第一狀態(tài)的外力在第二狀態(tài)的位移上所作的虛功等于第一狀態(tài)的內(nèi)力在第二狀態(tài)的變形上所作的虛功。由于兩個狀態(tài)彼此獨(dú)立無關(guān)，所以結(jié)構(gòu)無論處于兩個什么樣的狀態(tài)，只要第一狀態(tài)的外力是平衡的，第二狀態(tài)的位移是微小的，且為結(jié)構(gòu)的約束條件和變形連續(xù)條件即變形后仍為連續(xù)體和不出現(xiàn)裂縫所允許，虛功原理都適用。因?yàn)樵诘诙顟B(tài)中，載荷、溫度改變、支座移動等因素引起位移。

在梁和剛架中，位移主要由彎矩引起，軸力和剪力的影響很小，可忽略，因此△12位移公式為：

（2）

材料的本構(gòu)關(guān)系分析

在ANSYS有限元分析中提供了材料的線性本構(gòu)模型和非線性本構(gòu)模型。本構(gòu)模型又分為彈性、彈塑性、粘彈性等幾種。對于無人直升機(jī)運(yùn)輸托架而言，關(guān)注的僅僅是鋼架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，因此采用線彈性模型進(jìn)行分析?？紤]到材料參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力的影響，并查找相關(guān)分析資料，鋼架結(jié)構(gòu)與托架導(dǎo)軌間考慮接觸，摩擦系數(shù)取為0。摩擦系數(shù)的取值考慮了鋼架結(jié)構(gòu)與托架導(dǎo)軌間的相對位移，即假設(shè)鋼架結(jié)構(gòu)與托架導(dǎo)軌間的相對滑動不會形成切向應(yīng)力，僅對結(jié)構(gòu)形成法向應(yīng)力。因此，應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)滿足以下方程。

應(yīng)力方程為：σ=F/S（3）

本構(gòu)方程為（應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系）：

ε=μσ/∈ （4）

其中，F(xiàn)為載荷，S為受力面積，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變，μ為泊松比，∈為彈性模量。

有限元建模及分析

有限元分析過程分為建模、加載和分析三個主要步驟。

首先，建模是有限元分析的基礎(chǔ)，正確的模型是獲取正確分析結(jié)果的關(guān)鍵，所以必須嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立托架在艙內(nèi)和展開狀態(tài)下的正確模型。

其次，本文需要探究托架在艙內(nèi)和展開兩種狀態(tài)下的變化，針對兩種狀態(tài)下的特點(diǎn)對模型施加不同的載荷進(jìn)行分析;同時在ANSYS中進(jìn)行有限元分析必須要選擇合適的單元，為有效分析問題、解決問題，必須根據(jù)分析類型、模型特征等選擇所使用的單元類型。

對于托架而言，其骨架模型主要由方管、槽板等組成，適合采用殼（Shell憚元和梁（Beam憚元完成分析，但由于采用梁單元建模時需要考慮單元方向，并考慮骨架模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以在本次分析中選用殼63單元完成分析。

托架的主要結(jié)構(gòu)件由0235鋼構(gòu)成，其材料性能參數(shù)見表1。

托架的骨架由各種構(gòu)件組成，其厚度并不相同，這里共存在三種厚度如表2。為更加貼近實(shí)際情況，在此采用三種不同厚度的殼單元。

托架艙內(nèi)狀態(tài)分析

托架艙內(nèi)狀態(tài)結(jié)構(gòu)模型的建立如圖6所示。

（1）網(wǎng)格的劃分。

有限元分析的基本思想是將模型離散為相互聯(lián)系的微小單元來進(jìn)行計(jì)算，離散模型的過程就是劃分網(wǎng)格。對于托架骨架模型而言，要按照不同的構(gòu)件厚度分別劃分網(wǎng)格;這里采用邊長為1mm的單元劃分網(wǎng)格，整個骨架模型離散為25850個殼63單元，總共產(chǎn)生87914個節(jié)點(diǎn)。

（2）加載。

1）邊界條件的施加。

托架底部的兩根縱梁位于副車架上，并用螺栓緊固，進(jìn)行分析時，將這兩根縱梁與大梁接觸部分的所有節(jié)點(diǎn)約束全部自由度。

2）托架上主要安裝設(shè)備的加載。

無人直升機(jī)安裝在托架上，其重量通過底部起落架傳遞到托架上。無人直升機(jī)空機(jī)重量為500kg，滑撬與托架的接觸面上共有9837個節(jié)點(diǎn)，考慮3倍沖擊載荷，將所有重量均勻加載到接觸面上，平均每個面受到3750N垂直向下的壓力。

（3）變形與應(yīng)力分布情況。

按照上述過程完成模型建立、載荷加載后進(jìn)行分析，可以得到托架在實(shí)際工作狀況下的變形與應(yīng)力分布情況如下。

1）托架變形情況。

托架實(shí)際承載并承受3倍沖擊載荷時，其最大變形位于托架中后部的橫梁上，其最大變形量為1.3787mm，變形云圖如圖7所示。

21托架應(yīng)力分布情況。

應(yīng)力云圖如圖8所示，可以得到托架實(shí)際承載并承受3倍沖擊載荷時，其應(yīng)力最大值為156MPa，位置在托架中部彎角件與底部縱梁的連接處。

托架展開狀態(tài)分析

托架展開狀態(tài)的結(jié)構(gòu)模型建立如圖9所示。

（1）網(wǎng)格的劃分。

劃分網(wǎng)格和研究對象的狀態(tài)無關(guān)聯(lián)，經(jīng)網(wǎng)格劃分后整個骨架模型離散為22715個殼63單元，總共產(chǎn)生73721個節(jié)點(diǎn)。

（2）加載。

1）邊界條件的施加。

縱梁與大梁接觸部分的所有節(jié)點(diǎn)依然約束為全部自由度。

2）托架上主要安裝設(shè)備的加載。

考慮單倍載荷，將所有重量均勻加載到起落架與托架的接觸面上，總共四個面，平均每個面受到1250N垂直向下的壓力。

（3）變形與應(yīng)力分布情況。

上述過程完成模型建立、載荷加載后進(jìn)行分析，可得到托架在實(shí)際工作狀況下的變形與應(yīng)力分布情況如下。

1）托架變形情況。

托架實(shí)際承載并承受單倍沖擊載荷時，其最大變形位于托架中后部的橫梁上，其最大變形量為2.85mm，變形云圖如圖10所示。

2）托架應(yīng)力分布情況。

應(yīng)力云圖如圖11所示，可以得到托架實(shí)際承載并承受單倍載荷時其應(yīng)力最大值為185MPa，位置如圖標(biāo)注處。

材料安全系數(shù)分析

合理選用安全系數(shù)，既能保證工件的安全性，又可節(jié)約材料，減輕重量，做到物盡其用;對塑性材料，一般選擇安全系數(shù)n的計(jì)算值在1.2～2.5之間比較合適。

利用前述仿真分析結(jié)果并結(jié)合公式計(jì)算，得到托架在艙內(nèi)運(yùn)輸時的安全系數(shù)n=1.51，托架在吊裝時的安全系數(shù)n=1.27;可以看出，得到的安全系數(shù)值均在安全系數(shù)范圍1.2～2.5之間，因此所選材料符合安全性能要求。

通過ANSYS有限元軟件對無人直升機(jī)運(yùn)輸車托架在艙內(nèi)和展開狀態(tài)的分析計(jì)算，得出以下結(jié)果。

（1）托架艙內(nèi)狀態(tài)模型分析可知，運(yùn)輸狀態(tài)下受到三倍載荷沖擊下的托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，托架兩側(cè)的構(gòu)件變形量為1.387mm，發(fā)生輕微扭轉(zhuǎn)變形，托架上出現(xiàn)的最大應(yīng)力值基本保持在156MPa以下，且安全系數(shù)值為1.51;

（2）由托架展開狀態(tài)模型分析可知，托架兩側(cè)的構(gòu)件的變形量為2.85mm，發(fā)生輕微扭轉(zhuǎn)變形，托架上出現(xiàn)的最大應(yīng)力值基本保持在185MPa以下，且安全系數(shù)值為1.27;

上述結(jié)果表明，運(yùn)輸車托架在運(yùn)輸過程中和吊裝狀態(tài)下，托架整體結(jié)構(gòu)雖然發(fā)生微小變化，但不會對正常使用的安全性造成影響。同時，得到的最大應(yīng)力值也都小于許用應(yīng)力235MPa，安全系數(shù)值均在安全系數(shù)范圍1.2～2.5以內(nèi)，無人直升機(jī)運(yùn)輸托架的設(shè)計(jì)及選材滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能要求。