可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪方案設(shè)計(jì)及瞬態(tài)分析

袁 峰，張鵬程

(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

直升機(jī)在我國各行各業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，其中利用直升機(jī)對(duì)高壓線路進(jìn)行巡檢就是一個(gè)重要方面，由于直升機(jī)巡檢線路與人工巡檢相比具有明顯的優(yōu)勢，可以預(yù)見利用直升機(jī)巡檢高壓線路將成為高壓線路巡檢的主流方式之一 。此外，利用直升機(jī)進(jìn)行災(zāi)后救援也變得更加頻繁。然而不論哪種情況都面臨在野外沒有方便可靠的起降點(diǎn)和保障基站的問題，因此設(shè)計(jì)和開發(fā)能夠方便靈活移動(dòng)的停機(jī)坪顯得格外有意義。目前關(guān)于直升機(jī)停機(jī)坪的研究主要集中在固定式直升機(jī)停機(jī)坪，包括消防救援用的屋頂直升機(jī)停機(jī)坪，給石油鉆井平臺(tái)提供補(bǔ)給物資和貨物運(yùn)輸?shù)暮Ｉ现鄙龣C(jī)停機(jī)坪等。關(guān)于可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪，景勝[1]給出了一種野外組合式停機(jī)坪方案并對(duì)其疲勞性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；吳幸鈴[2]在其專利中給出了一種車載式停機(jī)坪。

本文擬定了幾種可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪方案，并對(duì)幾種方案進(jìn)行分析對(duì)比，確定了一種用于工程實(shí)踐的可行方案，利用有限元軟件ANSYS對(duì)可行方案建立有限元模型，對(duì)該模型進(jìn)行多工況的靜力分析，由分析結(jié)果對(duì)比得到最惡劣的工況，對(duì)實(shí)際工程具有一定的參考價(jià)值。

1 可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪的方案擬定和三維建模

1.1 可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪的總體介紹

可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪由兩大部分組成，分別為牽引車和半掛車。停機(jī)坪的移動(dòng)通過牽引車牽引半掛車實(shí)現(xiàn)，供直升機(jī)降落的是半掛車。半掛車在牽引車的牽引移動(dòng)過程中處于折疊狀態(tài)，當(dāng)需要供直升機(jī)降落時(shí)，半掛車兩翼板通過液壓缸實(shí)現(xiàn)繞鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)，兩翼板展開，相應(yīng)的支腿伸出，通過相應(yīng)支腿的支撐形成一個(gè)平臺(tái)，供直升機(jī)降落。

1.2 側(cè)支腿為機(jī)械式支腿的方案介紹和建模

該方案通過液壓缸實(shí)現(xiàn)半掛車兩翼板的折疊與展開，當(dāng)需要供直升機(jī)降落時(shí)，兩翼板在液壓缸動(dòng)作下展開，由兩翼板的側(cè)支腿支撐，半掛車變成一個(gè)平臺(tái)，該方案在半掛車前側(cè)設(shè)置儲(chǔ)藏室，可以存放航空燃油和直升機(jī)維護(hù)保養(yǎng)工具，后側(cè)設(shè)置步梯，方便維護(hù)人員上下平臺(tái)。該方案的側(cè)支腿為機(jī)械支腿，通過螺旋機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的調(diào)平，圖1(a)是該方案的折疊狀態(tài)，其展開狀態(tài)如圖1(b)所示。

展開狀態(tài)下整個(gè)平臺(tái)由4個(gè)機(jī)械支腿和4個(gè)液壓支腿支撐，半掛車輪胎離地，所有質(zhì)量和載荷均由8個(gè)支腿承擔(dān)。機(jī)械支腿的伸長量通過螺旋機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，液壓支腿的伸長和收縮由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

1.3 裝備醫(yī)務(wù)室的方案介紹和建模

該方案是在半掛車車架上安裝固定車廂，車廂作為醫(yī)療救助的醫(yī)務(wù)室。供直升機(jī)降落的平臺(tái)由焊接在車架上的型鋼支撐，平臺(tái)的折疊與展開動(dòng)作由裝在型鋼上的液壓缸實(shí)現(xiàn)，在半掛車的下側(cè)設(shè)置液壓支腿。具體三維模型如圖1(c)所示。

圖1 可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪方案

1.4 側(cè)支腿為液壓支腿的方案介紹和建模

該方案的平臺(tái)靠4個(gè)水平液壓支腿和4個(gè)垂直液壓支腿支撐，水平液壓支腿可以在水平方向伸縮，垂直液壓支腿可以在垂直方向伸縮，當(dāng)需要供直升機(jī)在平臺(tái)上降落時(shí)，水平支腿伸出到位后垂直支腿伸出，整個(gè)半掛車被支腿撐起，所有質(zhì)量和載荷均由支腿承擔(dān)。具體模型如圖1(d)所示。

1.5 3種方案的分析對(duì)比

側(cè)支腿為機(jī)械支腿的方案，其平臺(tái)的支撐由8個(gè)垂直支腿支撐，支撐比較穩(wěn)定可靠，但是機(jī)械支腿的調(diào)平和支撐都需要人工操作，效率低，不符合所設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)自動(dòng)化的要求。裝備醫(yī)務(wù)室的方案，由于供直升機(jī)降落的平臺(tái)在醫(yī)務(wù)室的上方，距離地面的距離超過4m，直升機(jī)降落到平臺(tái)后需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，而這種方案不便于維護(hù)人員上下平臺(tái)，需要配備專用的升降梯，另外這種方案直升機(jī)降落到4m多高的平臺(tái)上，整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定性較差。側(cè)支腿為液壓支腿方案的支撐由液壓支腿實(shí)現(xiàn)，支腿的動(dòng)作由液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，自動(dòng)化程度較高，平臺(tái)前后側(cè)設(shè)置有步梯和無障礙通道，方便維護(hù)保養(yǎng)人員上下平臺(tái)和運(yùn)輸維護(hù)工具，該方案的平臺(tái)支撐也較穩(wěn)定。綜合考慮，本文采用側(cè)支腿為液壓支腿的方案。

2 可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪多工況下的靜力分析

2.1 可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪模型簡化

在有限元軟件ANSYS中建模時(shí)，沒有必要將整個(gè)半掛車的所有特征都體現(xiàn)出來，可忽略平臺(tái)上驅(qū)動(dòng)兩側(cè)翼板的液壓缸、前后步梯、鎖定裝置等對(duì)整個(gè)平臺(tái)的強(qiáng)度影響不大的結(jié)構(gòu)。半掛車架下方的懸掛、板簧、車橋、鋼圈、輪胎等特征建模時(shí)也可忽略，但這些特征的自重對(duì)平臺(tái)的作用不可忽略，在進(jìn)行平臺(tái)分析時(shí)以幾個(gè)集中力施加到車架上，來模擬車架下方特征要素的重力。

2.2 可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪的有限元建模

模型的鋁合金減震面板在建模時(shí)采用Shell181單元，減震面板下側(cè)的鋼框架、液壓支腿、半掛車車架、車架加強(qiáng)筋均用beam189單元，梁單元和殼單元之間的連接采用公用節(jié)點(diǎn)，對(duì)于半掛車連接底板和兩側(cè)翼板的鉸鏈在建模時(shí)的處理方法是在鉸鏈位置建立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自由度的耦合，將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)除了繞鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度之外均進(jìn)行耦合。減震鋁合金面板的截面結(jié)構(gòu)采用經(jīng)過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式，如圖2(a)所示[3-4]，直升機(jī)停機(jī)坪的有限元模型如圖2(b)所示。

圖2 有限元模型

2.3 可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪載荷工況分析

直升機(jī)停機(jī)坪所受載荷可分為兩部分，第一部分是其自身重力產(chǎn)生的載荷，第二部分是直升機(jī)所產(chǎn)生的載荷。這里主要分析第二部分載荷。對(duì)第二部分載荷的分析參考海上石油鉆井平臺(tái)直升機(jī)停機(jī)坪的載荷工況。根據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——SY/T 10038—2002《海上固定平臺(tái)直升機(jī)機(jī)場規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦做法》，考慮面板均布載荷、直升機(jī)系留、直升機(jī)沖擊等3種典型工況[5]，對(duì)可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

本文停機(jī)坪的適用對(duì)象主要是小型直升機(jī)，具體分析計(jì)算時(shí)以貝爾407小型直升機(jī)為對(duì)象，該直升機(jī)的最大起飛質(zhì)量為2 500kg。

2.3.1邊界條件

邊界條件設(shè)置為4個(gè)垂直支腿底端進(jìn)行全約束。

2.3.2固定載荷

固定載荷包括可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪的鋁合金減震面板、和鋁合金面板固連的鋼框架、半掛車車架、液壓支腿、懸掛、板簧、車橋、鋼圈、輪胎等結(jié)構(gòu)要素的自重載荷，這些載荷分布在各個(gè)結(jié)構(gòu)要素上。

2.3.3可變載荷

可變載荷是指均勻分布在停機(jī)坪鋁合金面板上的載荷，包括直升機(jī)維護(hù)保養(yǎng)人員的通行、貨物搬運(yùn)、旋翼的下沖氣流等作用產(chǎn)生的載荷。可變載荷以面載荷的方式均勻施加在鋁合金減震面板上，對(duì)均布載荷工況，可變載荷的大小取為2kN/m2，對(duì)于直升機(jī)系留和沖擊工況可變面載荷取為0.5kN/m2。

2.3.4直升機(jī)滑撬載荷

直升機(jī)最大起飛質(zhì)量為2 500kg，滑撬載荷以線載荷的方式施加在鋁合金減震面板上，線載荷的橫向間距為2.5m，線載荷的長度為2.5m。對(duì)于直升機(jī)系留工況，直升機(jī)的最大起飛質(zhì)量以兩條線載荷的形式施加到鋁合金減震面板上；直升機(jī)著陸沖擊工況要考慮動(dòng)力放大效應(yīng)，具體方法是對(duì)直升機(jī)的最大起飛質(zhì)量乘以沖擊系數(shù)，沖擊系數(shù)取為3.25[5]。

2.3.5設(shè)計(jì)計(jì)算工況

根據(jù)中國船級(jí)社規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，直升機(jī)停機(jī)坪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、校核需要考慮的載荷工況有面板均布載荷工況、直升機(jī)系留工況和直升機(jī)著陸沖擊工況。3種載荷工況的載荷組成見表1。

2.4 結(jié)果分析

該停機(jī)坪的鋁合金面板采用6063鋁合金，其屈服強(qiáng)度大于170MPa，鋁合金面板下側(cè)的鋼框架、液壓支腿等鋼結(jié)構(gòu)采用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345，材料安全系數(shù)ns=1.5。在有限元計(jì)算時(shí)，鋼材的彈性模量取為2.01×1011N/m2，泊松比為0.3，密度為7 800kg/m3；鋁合金材料彈性模量為6.89×1010N/m2，泊松比為0.31，密度為2 700kg/m3。圖3為直升機(jī)停機(jī)坪3種典型工況的應(yīng)力云圖。

表1 載荷工況表

圖3 靜力分析云圖

由應(yīng)力云圖可以得到3種工況的最大應(yīng)力應(yīng)變，具體見表2。

表2 靜力分析結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，直升機(jī)著陸沖擊工況為3種工況中應(yīng)力、應(yīng)變最大(最惡劣的受力)工況，最大應(yīng)力發(fā)生在液壓支腿和鋁合金下側(cè)鋼框架的連接處，也就是支腿支撐鋼框架的位置，此處均為鋼結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。對(duì)于7m×7m的平臺(tái)，最大變形量為18mm,小于許用撓度28mm[8]，該變形量滿足平臺(tái)使用要求。

3 可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

3.1 模型和邊界條件

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中的模型和靜力分析中的模型相同，在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中，研究的狀態(tài)是直升機(jī)著陸沖擊工況和系留工況。沖擊工況的滑撬載荷為81 250N，系留工況的滑撬載荷為25 000N。由于沖擊載荷是通過系留載荷乘以沖擊系數(shù)得到，作用時(shí)間為直升機(jī)沖擊過程的時(shí)間，而沖擊過程時(shí)間和直升機(jī)降落方式和垂直降落速度有關(guān)，滑撬的長度和間距為2.5m[9],直升機(jī)降落速度為5m/s[10],所以降落沖擊過程的時(shí)間為0.5s，有限元計(jì)算時(shí)間取為0.5s。沖擊過程結(jié)束后直升機(jī)以最大起飛質(zhì)量穩(wěn)定停留在直升機(jī)停機(jī)坪上，為了提高計(jì)算效率，取系留工況作用時(shí)間為2.5s。滑撬載荷加載歷程如圖4所示，固定載荷和可變載荷在這兩段時(shí)間歷程中均相同。

3.2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析步驟[6-7]

定義分析類型為瞬態(tài)分析Transient，求解方法為完全瞬態(tài)法Full，設(shè)置載荷步，加載的滑撬載荷如圖4所示。加載的整個(gè)歷程分兩個(gè)載荷步，對(duì)直升機(jī)沖擊載荷和靜止載荷作為兩個(gè)載荷分別加載，計(jì)算過程中的子步步長為0.01s，使用自動(dòng)時(shí)間步長跟蹤，根據(jù)加載情況兩個(gè)載荷步按階躍方式變化，將每個(gè)載荷步的結(jié)果寫入結(jié)果文件。按載荷步1,2的次序一次求解。

圖4 滑撬載荷歷程

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

在ANSYS的通用后處理器POST1和時(shí)間歷程后處理器POST26中可以得到可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪等效應(yīng)力云圖和最大等效應(yīng)力節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。在POST1通用后處理器中，對(duì)等效應(yīng)力結(jié)果列表查看，可以得到鋁合金減震面板應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)為1949，在時(shí)間歷程后處理器POST26中得到節(jié)點(diǎn)1949的等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化歷程如圖5(a)所示。由圖得到在該時(shí)間歷程中，應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)的極限應(yīng)力不超過72MPa，小于6063鋁合金的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

圖5 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

在通用后處理器POST1中，查看整個(gè)平臺(tái)的等效應(yīng)力云圖如圖5(b)所示，最大應(yīng)力發(fā)生在垂直液壓支腿和鋁合金減震面板下側(cè)的鋼框架接觸處，即垂直支腿上端。因?yàn)橹群弯摽蚣茉贏NSYS中建模時(shí)采用的是梁單元，對(duì)梁單元無法直接提取最大等效應(yīng)力，要提取梁單元的最大應(yīng)力需提取梁單元最大彎曲應(yīng)力和最大正應(yīng)力，由最大彎曲應(yīng)力和最大正應(yīng)力得到梁單元所受最大等效應(yīng)力。對(duì)支腿上端提取最大彎曲應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖5(c)所示。正應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖5(d)所示。從圖5(c)和圖5(d)可以看出垂直支腿最大彎曲應(yīng)力為173MPa，最大正應(yīng)力為14MPa，由此可得到支腿在該時(shí)間歷程中所受最大等效應(yīng)力為187MPa，小于Q345的許用應(yīng)力345MPa。

在通用后處理器POST1中查看得到位移最大的節(jié)點(diǎn)為40836，在時(shí)間歷程后處理器POST26中提取該節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)間歷程曲線如圖5(e)所示。由時(shí)間歷程曲線得到該節(jié)點(diǎn)Z方向的最大位移是-35mm，在1.6s時(shí)，該節(jié)點(diǎn)位移不再變化，到達(dá)平衡位置，平衡位置節(jié)點(diǎn)位移為8mm。

在通用后處理器POST1中查看得到速度最大的節(jié)點(diǎn)為22789，在時(shí)間歷程后處理器POST26中提取該節(jié)點(diǎn)的速度時(shí)間歷程曲線如圖5(f)所示。由時(shí)間歷程曲線得到該節(jié)點(diǎn)Z方向的最大速度是-0.44m/s，在1.2s時(shí)，該節(jié)點(diǎn)基本上達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)一種可行的可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪方案在ANSYS中建立了其有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了多工況下的靜力分析，分析表明，直升機(jī)著陸沖擊工況是可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪所承受的最惡劣的工況，停機(jī)坪能夠滿足該工況下的強(qiáng)度和剛度要求。

對(duì)直升機(jī)著陸沖擊工況和直升機(jī)系留工況下的可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到了受力最大單元的應(yīng)力隨時(shí)間變化的歷程曲線、鋁合金面板受力最大節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線、整個(gè)平臺(tái)上位移最大節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)間歷程、最大速度節(jié)點(diǎn)的速度時(shí)間歷程，各個(gè)歷程曲線應(yīng)力的最大值均小于材料的許用應(yīng)力，穩(wěn)定變形量小于許用撓度，滿足可移動(dòng)式直升機(jī)停機(jī)坪使用要求。