粘彈阻尼器金屬件雙軸加載疲勞試驗裝置設計研究

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001）

0.引言

粘彈阻尼器常用于直升機旋翼系統，主要為槳葉的擺振運動提供阻尼，同時還為擺振運動附加了擺振剛度，可以通過合理匹配槳葉的擺振固有頻率避開可能的地面共振頻率[1]。為了考核粘彈阻尼器的使用壽命，CCAR-29-R1第29.571條款[2]規定需要對粘彈阻尼器金屬件開展疲勞試驗考核。粘彈阻尼器金屬件結構如圖1所示，相比于正常使用的粘彈阻尼器，其橡膠部分進行了硬化處理，考核部位為內筒和外筒金屬件。

圖1 粘彈阻尼器結構示意圖

粘彈阻尼器金屬件主要受力形式如圖2所示，在承受軸向載荷的同時還會受到彎矩載荷作用。過往在對粘彈阻尼器金屬件進行疲勞試驗考核時，往往將粘彈阻尼器金屬件受到的彎矩載荷等效到軸向載荷上，簡化為單軸加載疲勞試驗。該方法對試驗裝置加載要求低，便于開展，但上述等效方法未考慮粘彈阻尼器金屬件同時承受彎矩載荷和軸向載荷的耦合作用，因此，為了更好的模擬粘彈阻尼器金屬件的受力狀態，本文設計了一種可同時施加彎矩和軸向力的粘彈阻尼器金屬件疲勞試驗加載裝置，并采用有限元方法對其加載過程進行仿真模擬，仿真結果表明所設計的試驗裝置能很好的模擬出粘彈阻尼器金屬件的受力狀態。

圖2 粘彈阻尼器金屬件主要受力形式

1.試驗裝置原理

試驗裝置結構如圖3所示，主要包括彎矩加載叉耳、扭轉框架、承力基座（左、右）、軸向力加載叉耳、軸向約束裝置及2套液壓執行機構和液壓執行機構基座。其中彎矩加載叉耳和扭轉叉耳連接處、扭轉叉耳與承力基座連接處、試驗假件與軸向力加載叉耳連接處以及軸向力加載叉耳與軸向約束裝置連接處均安裝了關節軸承或調心滾子軸承，以便各零部件可以發生相對轉動和減小摩擦。軸向約束裝置可以確保軸向力加載叉耳在試驗過程中始終沿Y軸加載，提高了試驗載荷加載的準確性。試驗時，彎矩加載叉耳在垂向液壓機構驅動下帶動扭轉叉耳繞承力基座孔的中線軸（即X軸）旋轉，試驗假件與扭轉框架連接處采用硬性連接方式，并用螺栓固定，確保扭轉框架可以帶動試驗假件一同繞X軸旋轉，從而將彎矩載荷施加到試驗件上。軸向力加載叉耳在水平液壓執行機構的驅動下沿Y軸對試驗件施加軸向載荷，并傳至扭轉框架旋轉軸，最終由承力基座平衡該軸向載荷。

圖3 試驗裝置結構原理圖

2.有限元分析

2.1 有限元建模

采用有限元分析軟件ABAQUS對上述試驗裝置進行簡化建模，模擬分析同時施加彎矩載荷和軸向載荷時阻尼器金屬件所受到的載荷是否與預期受力狀態一致，有限元分析模型如圖4所示。

圖4 有限元簡化模型

軸向加載叉耳在軸向約束裝置的作用下只能沿Y軸移動，因此在建模時將軸向力加載叉耳、軸向約束裝置及水平液壓執行機構簡化為一個剛體圓柱螺栓A，分析時約束剛體圓柱螺栓A除Y軸平動以外的自由度，并施加軸向載荷，從而實現了給阻尼器金屬件施加軸向載荷的同時不會約束阻尼器金屬件由于受到彎矩載荷作用繞剛體圓柱螺栓A的軸線轉動。對于彎矩載荷的施加，垂向液壓執行機構在加載過程中會隨扭轉框架繞X軸的旋轉而擺動，因此需將垂向液壓執行機構的運動計入仿真模型。此處垂向液壓執行機構同實際結構類似，分為外筒和伸縮桿兩部分，外筒頂端通過一個剛體圓柱螺栓B鉸支約束，伸縮桿上端面施加一個垂直于端面的力，并使該力在伸縮桿和外筒繞剛體圓柱螺栓B的軸線轉動時始終垂直伸縮桿端面。

為監測試驗模擬加載過程中阻尼器金屬件實際承受的彎矩載荷，對圖4模型中與彎矩加載裝置連接的試驗假件設置了一個彎矩載荷輸出面，該平面與XZ平面重合，仿真過程中軟件可以輸出該平面上的彎矩值，即試驗裝置實際加載到阻尼器金屬件上的彎矩載荷。試驗模擬加載過程中阻尼器金屬件實際承受的軸向力載荷則通過監測2個固定支座沿Y軸方向的力獲得。

有限元分析模型主要結構尺寸及材料參數如表1所示，阻尼器金屬件采用簡化的方型梁結構，截面長60mm，寬20mm，兩端突出長方體部分為試驗假件，軸力加載點到彎矩加載面的距離L=280mm，彎矩垂向加載力臂為d=50mm，垂向液壓執行機構繞鉸支螺栓軸線的旋轉半徑r=1000mm，該值遠遠大于彎矩載荷加載力臂，可以減小彎矩加載誤差。阻尼器金屬件由于橡膠層進行了硬化處理，主要考核對象是內外筒金屬件，因此仿真模型中試驗件簡化模型的材料屬性采用航空用鋁的基本參數，彈性模量E=71GPa，泊松比為0.33，屈服強度σ=503MPa。試驗假件定義為高強度鋼材料，彈性模量E1=206GPa，屈服強度σ1=1400MPa，同鋁材試驗件相比試驗加載過程中試驗假件的變形可以忽略；其余結構定義為剛體，試驗加載過程中不會變形。

表1 粘彈阻尼器耐久性試驗臺模型主要結構尺寸及試驗件材料參數

仿真模型中載荷大小及方向如下：

軸向力F=5000sin（20πt），方向沿Y軸正向為正；

垂向力F1=5000sin（20πt），方向沿Z軸正向為正。

2.2 有限元仿真結果

有限元模型仿真分析獲得的彎矩載荷值如圖5所示，軸向力載荷如圖6所示。由圖5和圖6的仿真結果可知，阻尼器金屬件在試驗模擬過程中承受的彎矩載荷和軸向力載荷與理論預期的加載值高度吻合，且載荷曲線較為平滑光順，無明顯的急回，說明本文設計的阻尼器金屬件疲勞試驗加載裝置符合機械運動設計要求，能較為準確的模擬出試驗件實際的受力狀態。

圖5 仿真模擬與理論加載彎矩載荷加載曲線對比

圖6 仿真模擬與理論軸向力載荷加載曲線對比

3.結論

本文根據阻尼器金屬件雙軸加載疲勞試驗要求，設計了一套阻尼器金屬件雙軸加載疲勞試驗裝置，并建立了有限元分析模型，按給定的載荷進行仿真模擬，獲得的彎矩載荷和軸向力載荷均與理論加載值高度吻合，滿足對阻尼器金屬件進行雙軸加載的試驗要求。