可移动式直升机停机坪方案设计及瞬态分析

袁 峰，张鹏程

(郑州大学机械工程学院，河南 郑州 450001)

直升机在我国各行各业中的应用日益广泛，其中利用直升机对高压线路进行巡检就是一个重要方面，由于直升机巡检线路与人工巡检相比具有明显的优势，可以预见利用直升机巡检高压线路将成为高压线路巡检的主流方式之一 。此外，利用直升机进行灾后救援也变得更加频繁。然而不论哪种情况都面临在野外没有方便可靠的起降点和保障基站的问题，因此设计和开发能够方便灵活移动的停机坪显得格外有意义。目前关于直升机停机坪的研究主要集中在固定式直升机停机坪，包括消防救援用的屋顶直升机停机坪，给石油钻井平台提供补给物资和货物运输的海上直升机停机坪等。关于可移动式直升机停机坪，景胜[1]给出了一种野外组合式停机坪方案并对其疲劳性能进行了实验研究；吴幸铃[2]在其专利中给出了一种车载式停机坪。

本文拟定了几种可移动式直升机停机坪方案，并对几种方案进行分析对比，确定了一种用于工程实践的可行方案，利用有限元软件ANSYS对可行方案建立有限元模型，对该模型进行多工况的静力分析，由分析结果对比得到最恶劣的工况，对实际工程具有一定的参考价值。

1 可移动式直升机停机坪的方案拟定和三维建模

1.1 可移动式直升机停机坪的总体介绍

可移动式直升机停机坪由两大部分组成，分别为牵引车和半挂车。停机坪的移动通过牵引车牵引半挂车实现，供直升机降落的是半挂车。半挂车在牵引车的牵引移动过程中处于折叠状态，当需要供直升机降落时，半挂车两翼板通过液压缸实现绕铰链的转动，两翼板展开，相应的支腿伸出，通过相应支腿的支撑形成一个平台，供直升机降落。

1.2 侧支腿为机械式支腿的方案介绍和建模

该方案通过液压缸实现半挂车两翼板的折叠与展开，当需要供直升机降落时，两翼板在液压缸动作下展开，由两翼板的侧支腿支撑，半挂车变成一个平台，该方案在半挂车前侧设置储藏室，可以存放航空燃油和直升机维护保养工具，后侧设置步梯，方便维护人员上下平台。该方案的侧支腿为机械支腿，通过螺旋机构可以实现对平台的调平，图1(a)是该方案的折叠状态，其展开状态如图1(b)所示。

展开状态下整个平台由4个机械支腿和4个液压支腿支撑，半挂车轮胎离地，所有质量和载荷均由8个支腿承担。机械支腿的伸长量通过螺旋机构调节，液压支腿的伸长和收缩由液压系统实现。

1.3 装备医务室的方案介绍和建模

该方案是在半挂车车架上安装固定车厢，车厢作为医疗救助的医务室。供直升机降落的平台由焊接在车架上的型钢支撑，平台的折叠与展开动作由装在型钢上的液压缸实现，在半挂车的下侧设置液压支腿。具体三维模型如图1(c)所示。

图1 可移动式直升机停机坪方案

1.4 侧支腿为液压支腿的方案介绍和建模

该方案的平台靠4个水平液压支腿和4个垂直液压支腿支撑，水平液压支腿可以在水平方向伸缩，垂直液压支腿可以在垂直方向伸缩，当需要供直升机在平台上降落时，水平支腿伸出到位后垂直支腿伸出，整个半挂车被支腿撑起，所有质量和载荷均由支腿承担。具体模型如图1(d)所示。

1.5 3种方案的分析对比

侧支腿为机械支腿的方案，其平台的支撑由8个垂直支腿支撑，支撑比较稳定可靠，但是机械支腿的调平和支撑都需要人工操作，效率低，不符合所设计平台对自动化的要求。装备医务室的方案，由于供直升机降落的平台在医务室的上方，距离地面的距离超过4m，直升机降落到平台后需要对其进行维护保养，而这种方案不便于维护人员上下平台，需要配备专用的升降梯，另外这种方案直升机降落到4m多高的平台上，整个平台的稳定性较差。侧支腿为液压支腿方案的支撑由液压支腿实现，支腿的动作由液压系统进行控制，自动化程度较高，平台前后侧设置有步梯和无障碍通道，方便维护保养人员上下平台和运输维护工具，该方案的平台支撑也较稳定。综合考虑，本文采用侧支腿为液压支腿的方案。

2 可移动式直升机停机坪多工况下的静力分析

2.1 可移动式直升机停机坪模型简化

在有限元软件ANSYS中建模时，没有必要将整个半挂车的所有特征都体现出来，可忽略平台上驱动两侧翼板的液压缸、前后步梯、锁定装置等对整个平台的强度影响不大的结构。半挂车架下方的悬挂、板簧、车桥、钢圈、轮胎等特征建模时也可忽略，但这些特征的自重对平台的作用不可忽略，在进行平台分析时以几个集中力施加到车架上，来模拟车架下方特征要素的重力。

2.2 可移动式直升机停机坪的有限元建模

模型的铝合金减震面板在建模时采用Shell181单元，减震面板下侧的钢框架、液压支腿、半挂车车架、车架加强筋均用beam189单元，梁单元和壳单元之间的连接采用公用节点，对于半挂车连接底板和两侧翼板的铰链在建模时的处理方法是在铰链位置建立两个节点，对两个节点进行自由度的耦合，将两个节点除了绕铰链轴转动的自由度之外均进行耦合。减震铝合金面板的截面结构采用经过优化的结构形式，如图2(a)所示[3-4]，直升机停机坪的有限元模型如图2(b)所示。

图2 有限元模型

2.3 可移动式直升机停机坪载荷工况分析

直升机停机坪所受载荷可分为两部分，第一部分是其自身重力产生的载荷，第二部分是直升机所产生的载荷。这里主要分析第二部分载荷。对第二部分载荷的分析参考海上石油钻井平台直升机停机坪的载荷工况。根据中华人民共和国石油天然气行业标准——SY/T 10038—2002《海上固定平台直升机机场规划、设计和建造的推荐做法》，考虑面板均布载荷、直升机系留、直升机冲击等3种典型工况[5]，对可移动式直升机停机坪进行强度计算。

本文停机坪的适用对象主要是小型直升机，具体分析计算时以贝尔407小型直升机为对象，该直升机的最大起飞质量为2 500kg。

2.3.1边界条件

边界条件设置为4个垂直支腿底端进行全约束。

2.3.2固定载荷

固定载荷包括可移动式直升机停机坪的铝合金减震面板、和铝合金面板固连的钢框架、半挂车车架、液压支腿、悬挂、板簧、车桥、钢圈、轮胎等结构要素的自重载荷，这些载荷分布在各个结构要素上。

2.3.3可变载荷

可变载荷是指均匀分布在停机坪铝合金面板上的载荷，包括直升机维护保养人员的通行、货物搬运、旋翼的下冲气流等作用产生的载荷。可变载荷以面载荷的方式均匀施加在铝合金减震面板上，对均布载荷工况，可变载荷的大小取为2kN/m2，对于直升机系留和冲击工况可变面载荷取为0.5kN/m2。

2.3.4直升机滑撬载荷

直升机最大起飞质量为2 500kg，滑撬载荷以线载荷的方式施加在铝合金减震面板上，线载荷的横向间距为2.5m，线载荷的长度为2.5m。对于直升机系留工况，直升机的最大起飞质量以两条线载荷的形式施加到铝合金减震面板上；直升机着陆冲击工况要考虑动力放大效应，具体方法是对直升机的最大起飞质量乘以冲击系数，冲击系数取为3.25[5]。

2.3.5设计计算工况

根据中国船级社规范和行业标准，直升机停机坪的结构设计、校核需要考虑的载荷工况有面板均布载荷工况、直升机系留工况和直升机着陆冲击工况。3种载荷工况的载荷组成见表1。

2.4 结果分析

该停机坪的铝合金面板采用6063铝合金，其屈服强度大于170MPa，铝合金面板下侧的钢框架、液压支腿等钢结构采用低合金结构钢Q345，材料安全系数ns=1.5。在有限元计算时，钢材的弹性模量取为2.01×1011N/m2，泊松比为0.3，密度为7 800kg/m3；铝合金材料弹性模量为6.89×1010N/m2，泊松比为0.31，密度为2 700kg/m3。图3为直升机停机坪3种典型工况的应力云图。

表1 载荷工况表

图3 静力分析云图

由应力云图可以得到3种工况的最大应力应变，具体见表2。

表2 静力分析结果

根据计算结果可以发现，直升机着陆冲击工况为3种工况中应力、应变最大(最恶劣的受力)工况，最大应力发生在液压支腿和铝合金下侧钢框架的连接处，也就是支腿支撑钢框架的位置，此处均为钢结构，最大应力小于许用应力，满足强度要求。对于7m×7m的平台，最大变形量为18mm,小于许用挠度28mm[8]，该变形量满足平台使用要求。

3 可移动式直升机停机坪的瞬态动力学分析

3.1 模型和边界条件

瞬态动力学分析中的模型和静力分析中的模型相同，在瞬态动力学分析中，研究的状态是直升机着陆冲击工况和系留工况。冲击工况的滑撬载荷为81 250N，系留工况的滑撬载荷为25 000N。由于冲击载荷是通过系留载荷乘以冲击系数得到，作用时间为直升机冲击过程的时间，而冲击过程时间和直升机降落方式和垂直降落速度有关，滑撬的长度和间距为2.5m[9],直升机降落速度为5m/s[10],所以降落冲击过程的时间为0.5s，有限元计算时间取为0.5s。冲击过程结束后直升机以最大起飞质量稳定停留在直升机停机坪上，为了提高计算效率，取系留工况作用时间为2.5s。滑撬载荷加载历程如图4所示，固定载荷和可变载荷在这两段时间历程中均相同。

3.2 瞬态动力学分析步骤[6-7]

定义分析类型为瞬态分析Transient，求解方法为完全瞬态法Full，设置载荷步，加载的滑撬载荷如图4所示。加载的整个历程分两个载荷步，对直升机冲击载荷和静止载荷作为两个载荷分别加载，计算过程中的子步步长为0.01s，使用自动时间步长跟踪，根据加载情况两个载荷步按阶跃方式变化，将每个载荷步的结果写入结果文件。按载荷步1,2的次序一次求解。

图4 滑撬载荷历程

3.3 计算结果与分析

在ANSYS的通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST26中可以得到可移动式直升机停机坪等效应力云图和最大等效应力节点动态响应曲线。在POST1通用后处理器中，对等效应力结果列表查看，可以得到铝合金减震面板应力最大的节点为1949，在时间历程后处理器POST26中得到节点1949的等效应力随时间的变化历程如图5(a)所示。由图得到在该时间历程中，应力最大节点的极限应力不超过72MPa，小于6063铝合金的许用应力，满足强度要求。

图5 瞬态动力学分析结果

在通用后处理器POST1中，查看整个平台的等效应力云图如图5(b)所示，最大应力发生在垂直液压支腿和铝合金减震面板下侧的钢框架接触处，即垂直支腿上端。因为支腿和钢框架在ANSYS中建模时采用的是梁单元，对梁单元无法直接提取最大等效应力，要提取梁单元的最大应力需提取梁单元最大弯曲应力和最大正应力，由最大弯曲应力和最大正应力得到梁单元所受最大等效应力。对支腿上端提取最大弯曲应力时间历程曲线如图5(c)所示。正应力时间历程曲线如图5(d)所示。从图5(c)和图5(d)可以看出垂直支腿最大弯曲应力为173MPa，最大正应力为14MPa，由此可得到支腿在该时间历程中所受最大等效应力为187MPa，小于Q345的许用应力345MPa。

在通用后处理器POST1中查看得到位移最大的节点为40836，在时间历程后处理器POST26中提取该节点的位移时间历程曲线如图5(e)所示。由时间历程曲线得到该节点Z方向的最大位移是-35mm，在1.6s时，该节点位移不再变化，到达平衡位置，平衡位置节点位移为8mm。

在通用后处理器POST1中查看得到速度最大的节点为22789，在时间历程后处理器POST26中提取该节点的速度时间历程曲线如图5(f)所示。由时间历程曲线得到该节点Z方向的最大速度是-0.44m/s，在1.2s时，该节点基本上达到稳定状态。

4 结束语

本文对一种可行的可移动式直升机停机坪方案在ANSYS中建立了其有限元模型，对其进行了多工况下的静力分析，分析表明，直升机着陆冲击工况是可移动式直升机停机坪所承受的最恶劣的工况，停机坪能够满足该工况下的强度和刚度要求。

对直升机着陆冲击工况和直升机系留工况下的可移动式直升机停机坪进行了瞬态动力学分析，得到了受力最大单元的应力随时间变化的历程曲线、铝合金面板受力最大节点的应力随时间的变化曲线、整个平台上位移最大节点的位移时间历程、最大速度节点的速度时间历程，各个历程曲线应力的最大值均小于材料的许用应力，稳定变形量小于许用挠度，满足可移动式直升机停机坪使用要求。