直升机复合材料前缘锥体优化设计研究

姜大成 熊俊卿 门坤发 王金亮 尹洪国

摘 要：建立直升机复合材料前缘锥体有限元模型，根据影响结构刚度和强度的参数对该有限元模型进行修正，使模型达到工程应用精度的要求，分析批量产生的前缘锥体变形不合格数据，利用修正的有限元模型进行加强方案的确定，根据不合格数据范围选择不同的结构加强方案，根据加强方案补强后的前缘锥体，装配到垂尾上后进行刚度试测试后满足了刚度指标要求。

关键词：复合材料;CAE;有限元;刚度;变形

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0081-02

0 引言

随着计算机软件和有限元分析技术的发展，CAE仿真技术在产品研发中的作用已经无可替代。随着CAE应用的普及，工程技术人员对CAE结果的可靠性也提出了更高的要求，任何减小CAE结果与实机测试结果的差距，称为CAE工程技术热暖需要解决的首要问题。将实机测试结果与CAE分析结果进行比较，通过调整CAE模型或者改变实机测试方法来减少计算机仿真与物理实机测试结果之间的差距，从而降低模拟模型的误差。

直升机复合材料前缘锥体刚度指标要求较高，生产产品出现了多架次刚度指标不合格现象，通过分析不合格的刚度测试数据，利用修正的前缘锥体的有限元模型，通过计算分析找出影响结构刚度的关键因素和位置，结合工艺可实施性、影响外观以及增重等方面确定了最佳修复方案，根据修复后刚度测试结果，满足了刚度要求，为公司挽回大量的经济损失，同时也积累了处理前缘锥体刚度不合格问题的修复方案。

1 前缘锥体的刚度测试及影响因素分析

直升机涵道垂尾结构，尾桨叶位于涵道内部，尾传动轴通过前缘锥体，因此，涵道垂尾结构除了要求满足强度要求之外，还需要满足一定的刚度指标，刚度测量点以及试验的加载点示意图如图1所示。其刚度指标主要是检查产品质量的可靠性。前缘锥体刚度要求严格的因素是考虑尾传动结构和涵道内环结构，要求在整个服役期间各种飞行姿态下尾传动轴和涵道内环的尾桨叶都不会与前缘锥体或者涵道发生干涉，如果产生干涉，会影响飞行安全，产生不可预期的甚至灾难性的后果，因此，必须使其满足一定的刚度指标要求。

在进行刚度测试时，对前缘锥体的顶部位置施加一定的载荷，上图给出了位移传感器布置位置，C1和C2点是变形测试点，其中给出C1点的变形数据为：挠度值13mm<测量值<14.9mm，残余值<1.0mm作为变形检测合格判定的依据。

为了使刚度不合格前缘锥体产品达到合格标准，通过分析数据发现，其整体刚度值至少要提高2%能使不合格产品的9件中的7件满足要求，整体刚度至少提高4%能使所有的不合格数据均能满足要求。依据这个指标，对前缘锥体的加强方案进行确定。同时，生产车间对于该批次变形不合格原因进行了分析，分析结果如表1所示，其中主要原因更换材料后其弹性模量与先前的材料的弹性模量略低，同时在成型过程中，其固化参数选择不合理是可能产生变形不合格的主要因素。

2 前缘锥体有限元模型的建立和修正

针对前缘锥体建立有限元模型，根据分析结果给出加强方案。调整有限元模型的材料参数，在有限元模型中，层压板的参数弹性模量和厚度均取的均值，因此，計算模型时的刚度时数据是满足要求的，边界条件，在连接螺栓对应的点位置约束X、Y、Z三个平动方向，在前缘锥体连接框的其它位置约束面外的方向，在直升机上对应的是测试刚度位置施加试验所用的载荷。变形测量选取与实际位置一致，从图2有限元的变形云图可见，在刚度测试对应的C1点计算变形13.7mm，在标准值13.0～14.9mm之间，表明利用V&V修正的前缘锥体有限元模型可靠度在工程可接受的范围。

从图2有限元变形曲线可见：

在“圆筒”边缘位置变形1.79mm，变形随着剖面刚度的减少而逐渐变大至变形测量点。根据以上数据分析分析，初步的加强方案如下，主要是分层三段：

以最大变形15.54mm计，需要在变形点处刚度处在最大载荷作用下变形比初始变形减少0.08mm即能满足要求，因此这里给出减少0.1mm进行刚度增加。

3 对前缘锥体的加强方案

根据对结构形式分析和从计算结果的变形情况对结构给出加强方案，同时还要满足如下条件：

不会引起结构强度较大幅度的变化或引起结构传力路线的变化;结构的变形趋势不能改变;对总体刚度贡献率最高;结构重量增加最小;可实施性好。鉴于以上几条，对前缘锥体的加强方案如下：

加强方案1：在前缘锥体“圆筒”位置上下各增加一层织物;加强方案2：在前缘锥体“圆筒”位置上半位置增加一层织物;加强方案3：在前缘锥体“圆筒”位置下半位置增加一层织物;加强方案4：在前缘锥体上部前梁缘条上增加一层织物和一层单向带;以及以上方案的两种或者三种组合。

按以上加强方案对结构进行极强，其计算结果汇总如下，其中根据刚度提高率对原始状态的前缘锥体变形测量值[13.0，14.9]进行放大。将以上四种加强方案的计算结果汇总，同时根据计算结果对其进行某两种工况进行组合计算，根据提高的刚度将原来的合格刚度值进行放大，也就是根据加强后刚度的合格范围值可以选择对应的加强方案。该结果值经过有限元模型进行修正的结果，因此结果是可靠。

将不合格的前缘锥体按照表2的加强方案进行修理，修理后装配到涵道垂尾后，经过对涵道垂尾再次进行变形测量，其涵道垂尾的变形合格值为：C1点变形和和残余挠度值13mm<测量值<14.8mm，残余值<0.6mm;C3点变形和残余挠度值28mm<测量值<32mm，残余值<1.2mm。按照加强方案对刚度偏弱的前缘锥体进行相应的加强，加强后组装到涵道垂尾上后进行变形测试，其测试结果满足要求，进一步验证了前缘锥体在变形测试中满足要求的范围内装配到涵道垂尾结构中才能满足要求。

4 结语

对这批变形不合格前缘锥体按照确定的有限元模型计算结果进行修理方案的确定，并将修理后的结构装配到涵道垂尾上，变形测量结果表明涵道垂尾满足变形和残余指标要求，通过此次修理掌握了对于前缘锥体变形不合格的修理方案，根据变形的偏离情况选择合理的加强方案。

参考文献

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