直升機無軸承尾槳有限元建模及分析方法研究

胡磊 岳巍

摘? ?要：直升機無軸承尾槳結構簡潔，具有良好的維護性與可靠性，是直升機尾槳技術的發展方向之一。以結構剛度突變區和柔性梁大變形段為主要研究目標，應用ABAQUS軟件，通過合理簡化，建立了無軸承尾槳的有限元模型，并對其典型工況進行了有限元應力分析。通過分析研究，文章建立了一個滿足工程應用的有限元模型，為無軸承尾槳的強度分析工作提供了改進方向。

關鍵詞：無軸承尾槳;有限元模型;ABAQUS軟件

1? ? 無軸承尾槳相關介紹

無軸承尾槳作為新一代先進尾槳的代表，其操縱靈敏度高、結構簡潔、維護性好，正受到越來越廣泛的應用。無軸承尾槳采用柔性梁來取代傳統揮舞鉸、擺振鉸以及扭轉鉸，主要通過柔性梁的彈性變形來實現三者的功能。無軸承尾槳主要包含槳葉、袖套以及柔性梁3個主要部分。無軸承尾槳結構一般采用復合材料整體成型，將柔性梁、袖套、槳葉固化在一起，極大地減少了零部件個數，提高了維護性與可靠性。

在工程中，通常尾槳葉的應力分析采用單剖面離散的分析方法，這種方法是基于工程梁理論的線性分析方法，對于傳統槳葉是合適的。因為傳統槳葉傳力路徑單一、結構過渡平緩，無需考慮結構剛度變化帶來的應力集中影響，因此，可以采用單剖面剛度參數結合工程梁理論的分析方法。但對于無軸承尾槳結構，單剖面離散方法不能有效地分析槳葉、袖套以及柔性梁過渡區域出現的剛度突變現象以及柔性梁的大變形使用狀態對結構應力應變造成的影響。因此，本文使用有限元分析軟件ABAQUS對無軸承尾槳結構進行了有限元仿真及分析[1]。

2? ? 有限元建模

無軸承尾槳主要由柔性梁、槳葉段、袖套、尾槳支撐軸承等結構組成。柔性梁取代了傳統的揮舞、擺振和扭轉鉸，通過復合材料柔性梁的彈性變形來實現尾槳的揮舞、擺振和變距運動。尾槳葉段是尾槳的氣動升力面，用于產生尾槳的推力。尾槳葉結構主要由蒙皮、槳葉內部填充泡沫、加強肋等組成。袖套為復合材料空心薄壁結構，具有較高的扭轉剛度以利于傳遞扭矩。它一端通過彈性支撐軸承和柔性梁相連，另一端延伸到尾槳葉翼型段，并與尾槳葉翼型段形成一整體。尾槳支撐軸承主要用于對尾槳的袖套變距運動形成支撐。柔性梁與袖套、槳葉組成的梁在兩點進行連接，一處是與槳葉直接彈性連接，另一處是與通過簡化為彈簧-阻尼并聯的支撐軸承連接。

有限元分析結果的可靠性依賴于計算模型的正確建立，主要體現在模型合理有效的簡化、單元類型的選取、載荷及邊界條件的處理這幾個主要方面[2]。本文的主要研究目標是柔性梁、袖套、槳葉段過渡區和柔性梁大變形區，以靜態分析的觀點出發，對結構采取了以下簡化措施。

（1）因主要關注的分析區域為尾槳的袖套與槳葉的過渡區域，而尾槳葉段不是本模型的分析對象，故尾槳葉模型只截取部分結構，進行有限元建模。

（2）對結構中螺栓連接用TIE綁定，近似簡化為剛性約束。

（3）對于連接袖套和柔性梁的支撐軸承，以等效剛度的原則，采用ABAQUS中的BUSHING彈簧，賦予其6個方向的剛度來模擬。

（4）由于無法模擬尾槳結構在實際使用時承受的分布載荷，將等效的集中載荷作用在多個剖面的形心來模擬尾槳所承受的分布載荷。

尾槳結構中柔性梁被上下夾板通過螺栓壓緊固定，為了更加真實地模擬柔性梁中央夾持段的受力情況，使用面接觸約束來模擬上下夾板和柔性梁的裝配關系。泡沫與結構中各部分（柔性梁、袖套蒙皮、槳葉蒙皮等）的粘接，采用節點耦合或者TIE綁定約束模擬。

在模型中，通過切割模型取得施加離散載荷的數個剖面，在每個剖面的形心位置創建相應的參考點，然后使用ABAQUS中的耦合約束將剖面耦合在參考點上，等效力和等效力矩加載于該參考點上。用于加載載荷的柔性約束與剛性的多點約束不同，剛性的多點約束會使得被約束的截面變的很剛硬，被約束的截面上所有的節點自由度與約束保持一致。加載在參考點上的力和力矩，會分布加載于截面上的各點上，而且滿足：（1）截面上各節點的合力=參考點上施加的合力。（2）截面上各節點的合力矩=參考點上施加的力矩。

根據以上簡化及建模思路，經過多次計算調試，確定了在典型載荷工況下用于靜態強度分析的有限元模型。對于結構中的金屬部件如上下夾板、維型泡沫等實用C3D8R實體單元劃分網格;對于柔性梁采用連續殼單元SC4R或SC8R單元來劃分網格;袖套與槳葉蒙皮則使用殼單元S4R或S8R來劃分網格。網格密度在模型的不同部位作了適當的調整，主要分析區域使用了精度較高的SC8R和S8R單元，次要區域使用SCR4和S4R單元，無軸承尾槳有限元模型如圖1所示。

初步建立了有限元模型后，還需進行模型的驗證工作以評估模型的有效性。本文主要對模型進行了典型剖面剛度對比，柔性梁結構靜力拉彎試驗對比。

3? ? 有限元模型驗證

通過采用有限元方法評估了尾槳結構典型剖面的剛度，通過與工程梁方法中的剖面參數對比，驗證了模型的有效性。分析結果如表1—2所示。

通過分析表明，有限元模型的剛度結果與工程分析方法結果一致性良好，有限元模型的精度能夠滿足工程分析精度要求。

無軸承尾槳中的柔性梁是尺寸為4 mm×55 mm的矩形截面結構，材料為玻璃粗紗帶。由于柔性梁在使用工況下為大變形的狀態，故柔性梁結構的層間剪切破壞是必須關心的問題。在ABAQUS軟件中，相對于實體單元使用連續殼單元可以更加方便地來對柔性梁復合材料鋪層結構進行網格劃分。為了進一步驗證連續殼單元的分析精度，通過靜剛度試驗結果對有限元模型進行了對比驗證。

通過對比柔性梁局部有限元模型分析結果和柔性梁彎曲試驗結果（見表3），仿真分析和試驗的正應力結果誤差較小，可以滿足工程分析精度要求;如圖2所示，柔性梁的靜力試驗的破壞模式為分層破壞，有限元分析中的層間剪應力分布區域與試驗結果一致，說明了本模型的層間剪應力分析可靠。

4? ? 尾槳典型工況計算與分析

在使用ABAQUS進行分析時，考慮到存在接觸約束和柔性梁大變形等非線性因素，需要開啟幾何非線性選項進行靜態分析。同時，模型中建立了預緊力邊界條件，需要在模型計算時添加一個加載預緊力的分析步驟，這樣有利于接觸分析收斂。無軸承尾槳的典型載荷工況如表4所示，剖面參考點的集中載荷6力素中只考慮離心力、揮舞彎矩、擺振彎矩，其他為小量，可以忽略。其中，剖面位置為尾槳結構剖面與旋轉中心的距離。

該工況下結構的有限元分析結果如下。

有限元分析結果表明：根據圖3柔性梁中央段接觸應力云圖結果，柔性梁表面接觸應力比較小。主要是該無軸承尾槳屬于蹺蹺板式尾槳類型，離心力和揮舞彎矩通過中心對稱槳葉平衡，因此，對柔性梁中央段的應力影響較小。

根據圖4的分析結果，柔性梁的層間剪應力較大的區域主要在中央斜坡過渡區域，該區域的揮舞彎矩較大，分析結果與受載情況一致。

由柔性梁的應力云圖5和Tsai-Hill失效系數云圖6可知，柔性梁的應力分布比較均勻，未出現明顯的應力集中現象，過渡區的應力分布雖有變化，但影響不大。分析認為，主要由于該柔性梁結構簡單，其本身為帶扭角的矩形剖面梁，在主要變形段其剖面尺寸剛度不變，因此，應力分布不會出現明顯的應力集中。

根據柔性梁典型部位單元的載荷—應力關系（見圖7）可以看出，單元應力與載荷并不完全是線性關系，該曲線與直線偏離少許，說明對應力分析結果來說非線性影響并不是特別顯著。從圖8可以看出載荷與變形呈現比較明顯的非線性關系。這也說明了尾槳模型的非線性主要是由柔性梁大變形和尾槳中央段結構的接觸約束造成的。在精度要求不高、載荷較小的情況下，可以采用工程梁分析的方法來分析柔性梁的應力。對于模型的非線性情況，在尾槳相關的試驗中可能會表現得更明顯。例如在疲勞試驗中，試驗載荷一般會遠大于使用載荷，柔性梁的變形會非常大，通過有限元來模擬分析可以得到更加可靠的結果。

槳葉與袖套由4層纖維鋪層組成，袖套段承受離心力壓縮載荷作用，槳葉段承受離心力拉伸作用。因此，在結構的過渡區域，一方面是有剛度變化，另一方面有載荷變化。由圖9—10可見，在袖套和槳葉段過渡區域有明顯的應力集中現象。并且由于袖套上的離心壓縮載荷要過渡到槳葉段，過渡區出現了壓應力的應力集中區域。對復合材料而言，一方面受壓方向的強度低于拉伸方向，另一方面壓應力區有可能形成局部失穩區域，對受交變載荷的尾槳結構是非常不利的。

5? ? 結語

通過對直升機無軸承尾槳結構傳力路徑、結構特點的分析，在此基礎上通過合理的簡化建立了一個較為精確的有限元應力分析模型。該模型可以有效地分析在典型工況載荷下柔性梁大變形、結構剛度突變等對結構響應的影響，對柔性梁層間應力的分析也具有較好的精度。有限元模型的精度受到材料參數的影響，本文中材料的基本參數都為理論值，與實際的材料性能值可能存在差別。若要獲得更高的分析精度可以進行小樣件試驗，通過有限元試驗擬合得到精確的材料參數，提高模型的精度。此外，本文的有限元模型可以作為無軸承尾槳結構的其他分析工作的基礎，后續在這個模型的基礎上可以開展各類缺陷的模擬仿真，進行無軸承尾槳的優化設計。

[參考文獻]

[1]陳琨，劉勇，張呈林.尾槳復合材料槳葉參數化及有限元建模[J].計算力仿真，2013（8）：27-31.

[2]莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京：清華大學出版社，2009.