高压水炮系统水箱与连接件静态特性分析

李忠群，刘 阳，邹向巧

（1.湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲 412007；2.湖南翔为通用航空有限公司，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

随着生态文明建设推进，我国森林蓄积量增加、林下可燃物增多，加之全球气候变暖加剧了森林防火形势。此外，高层建筑增多，灭火难度加大。传统灭火设备已无法应对复杂的森林地形和增多的高层建筑给消防灭火工作带来的挑战[1-3]。因此，如何有效应对森林火灾和高层建筑火灾成为全球性难题[4]。

直升机吊桶灭火系统机动灵活、反应迅速、携带水量较大，能够在一定程度上解决森林和高层建筑火灾问题[5]。近年来，高压水炮系统，包括Ka-32、AC313和H425等直升机水炮系统[6]备受科研工作者们关注，通过在消防直升机上外挂水箱并配合使用高压水炮，不仅提高了灭火精度和效率，同时保持了直升机机动性。这种系统在高层建筑和森林火灾灭火中被认为是最佳选择[7]。

直升机外挂水炮系统的结构强度对其飞行安全至关重要。水箱的结构会影响其承载能力和质量，为了减轻质量，可以采用碳纤维复合材料替代轻质合金材料[8]。此外，关键的连接件在工作状态下需要承受载荷、振动和外部作用力，必须具备足够的强度和刚度。结合水箱的形状、尺寸和安装要求，设计和制造合适的连接件以确保直升机和水箱之间可靠连接，这对于实现高压水炮系统的功能至关重要。因此，为防止结构问题引发安全事故，在设计外挂水箱和关键连接件时，必需对其进行静力学分析，确保外挂水箱的结构强度和刚度符合适航标准。

有关机械结构静力学分析的研究非常广泛。李剑英等[9]使用Ansys对电动汽车电池箱进行了静态特性和模态分析，通过修改结构参数提高了系统刚度。李忠群等[10]对数控激光机床的整机和关键部件进行了静动态特性分析，并提出了优化方案。席建普等[11]利用Workbench，对内嵌式快刀伺服装置进行了有限元仿真，并得到了实验验证。Zhang X.Q.等[12]通过静力学分析，发现连接空投系统与飞机的支座上部靠近双耳孔处易产生应力集中。He Z.K.等[13]对玻璃钢复合材料制成的风力机叶片进行了静力结构分析，结果表明，在最大载荷下，叶片有限元模型处于安全范围内。对于大型结构和复杂测试设备而言，实验分析方法耗时耗力，而有限元法因其广泛的适用性和灵活性，在工程实践中得到了广泛应用。

综观已有研究，虽然直升机外挂高压水炮系统被认为是解决森林防火和高层建筑火灾的有效方案，但已有研究尚未对该系统的水箱和连接件进行适航验证。因此，本研究拟对自主设计的高压水炮系统的水箱及其连接件进行验证，即利用有限元法对其进行结构静力学分析。首先，利用SolidWorks软件对高压水炮系统的水箱及其连接件进行有限元建模，然后进行静力学分析，以验证其结构强度和刚度，以期能在确保灭火直升机的功能和飞行安全的前提下，提高其灭火效率。

2 有限元模型建立

2.1 网格划分

采用SolidWorks软件构建自主设计的高压水炮系统水箱及连接件三维模型，为提高有限元分析效率，在将三维模型导入有限元软件前，对其进行适当简化，具体包括：去除对分析结果影响较小的局部几何特征，如倒角、圆角和螺纹孔等，以减少节点和网格单元数量，这在分析大型复杂结构时尤为重要。因保密性要求，具体结构尺寸从略，简化后高压水炮系统的水箱及其连接件三维模型见图1。

图1 零件简化后的水箱及其连接件三维模型Fig.1 3D model of a simplified water tank with its connectors

本文采用四面体实体单元的补丁适形算法来进行网格划分，并针对不同的零件采用不同的网格尺寸进行调整。具体而言，箱体的上盖板、下壳体和内部隔板结构尺寸较大，采用了30 mm的网格尺寸控制，前吊压板、前吊扣L型板、前吊扣、后吊挂座、拉杆吊挂和拉杆为关键连接件，采用了10 mm的网格尺寸控制，而六角头螺栓和六角螺母尺寸较小，则采用了2 mm的网格尺寸控制。水箱及其连接件的有限元网格模型如图2所示。

图2 水箱及其连接件有限元网格模型Fig.2 Finite element mesh model of the water tank with its connectors

2.2 材料属性确定

高压水炮系统的水箱上盖板、下壳体和内部隔板均采用碳纤维与玻纤维的复合材料，其材料属性如表1所示，各连接件的材料属性如表2所示[14-15]。

表1 复合材料的材料属性Table 1 Material properties of composite materials

表2 连接件的材料属性Table 2 Material property of connectors

2.3 质量校核

经过计算，满装载情况下高压水炮系统的总质量为804.50 kg，低于1 000 kg，满足飞行手册和外部载荷加改装要求，各零部件质量如表3所示。

表3 高压水炮系统各零部件质量Table 3 Mass of various components of the high-pressure water cannon system kg

3 静力学分析条件设置

消防水箱作为高压水炮系统的储水装置，连接件用于实现消防水箱与直升机的有效和可靠固定。为了验证其是否满足设计要求，对其进行静力学分析是必不可少的[16]。

3.1 载荷设置

根据引用的适航标准[17]规定，有人外挂载重的旋翼航空器外挂物的吊挂设备，要承受等于3.5或某一较小但不小于2.5的系数乘以最大外挂物的质量所产生的限制静载荷。考虑到直升机操作限制、外界环境条件和飞行员操纵行为等因素，本结构设计采用最大限制载荷系数3.5。极限载荷应按限制载荷的1.5倍施加，外挂载荷的作用方向为垂直方向。

直升机消防水箱中灭火液的最大限量为600 kg，对应的载荷值为5 880 N，极限载荷值为30 870 N。这些载荷在-Z方向以均布压力形式施加在水箱下壳体底面。为了计算效率和简化高压水泵结构的复杂性，将高压水泵、电源和保护盒的重力以集中力的方式施加在其质心位置上，使用远程点来表示。在该远程点的-Z方向上施加极限远程力2 474.75 N（见图3）。对于前吊压板、拉杆以及其他连接件和消防水箱，增加3.5倍的最大限制载荷和1.5倍的极限载荷，在Z方向上施加5.25倍的地球重力加速度，具体数值为-51 450 mm/s2。

图3 远程点上施加远程力示意图Fig.3 Schematic diagram of remote force applied on remote points

3.2 边界条件

水箱内部隔板与水箱壳体的接触设定为绑定；前吊扣、前吊压板和后吊挂座分别与水箱上盖板表面设置为绑定连接；前吊压板与前吊扣的L型板以及长短拉杆与后吊挂座均采用螺栓进行连接；螺栓与螺母之间采用绑定连接。连接件与螺栓、连接件与连接件、螺母与连接件之间采用摩擦接触，摩擦系数设置为0.2。螺柱和螺栓孔之间存在间隙，因此二者之间不设置接触条件。对于4个拉杆吊挂的螺栓孔，施加固定约束。

4 有限元仿真结果

4.1 消防水箱

有限元仿真所得消防水箱的变形云图和vonmises应力云图如图4所示。

图4 消防水箱静力学分析结果Fig.4 Statics analysis results of the fire water tank

为了能更直观地确认最大变形量和最大应力的相应位置，分别从消防水箱的正面和反面进行观察，由图4可以得知水箱的最大变形量为5.248 3 mm，其位于消防水箱箱底的排水口处，最大应力为162.2 MPa，位于高压水泵、电源及保护盒与消防水箱的安装孔连接处。

4.2 连接件

各连接件具体位置如图5所示。

图5 各连接件位置图Fig.5 Location diagram of each connector

4.2.1 后吊挂座

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

仿真分析所得后吊挂座的变形云图和von-mises应力云图如图6所示。

图6 后吊挂座静力学分析结果Fig.6 Static analysis results of the rear suspension seat

由图6可知，左1后吊挂座最大变形量约为0.663 mm，位于耳片与左短拉杆的连接处，最大应力为69.621 MPa，位于耳片螺栓孔处；左2后吊挂座最大变形量约为0.888 mm，位于底座靠近水箱质心的一端，最大应力为73.818 MPa，位于耳片与底座连接处；右1后吊挂座最大变形量约为0.881 mm，位于底座靠近消防水箱质心的一端，最大应力为53.876 MPa，位于耳片与底座连接处；右2后吊挂座最大变形量约为0.705 mm，最大应力为85.516 MPa，均位于耳片螺栓孔处。

4.2.2 拉杆

仿真分析所得拉杆的变形云图和von-mises应力云图如图7所示。由图可知，左短拉杆的最大变形量约为0.608 mm，位于与左1后吊挂座连接的耳片部位，最大应力为328.17 MPa，位于拉杆与耳片之间；右短拉杆的最大变形量约为0.654 mm，位于与右2后吊挂座连接的耳片部位，最大应力为339.49 MPa，位于拉杆与耳片之间；左长拉杆的最大变形量约为0.846 mm，最大应力为218.51MPa，均位于拉杆与耳片之间；右长拉杆的最大变形量约为0.853 mm，位于与右1后吊挂座连接的耳片部位，最大应力为187.41 MPa，位于拉杆与耳片之间。

图7 拉杆静力学分析结果Fig.7 Tie rod static analysis results

4.2.3 前吊压板

仿真分析所得前吊压板的变形云图和von-mises应力云图如图8所示。

图8 前吊压板静力学分析结果Fig.8 Static analysis results of the front suspension pressure plate

由图8可知，前吊压板最大变形量约为0.853 mm，位于底座直角处，最大应力为84.08 MPa，位于耳片螺栓孔处。

4.2.4 前吊扣L型板

仿真分析所得前吊扣L型板的变形云图和vonmises应力云图如图9所示。

图9 前吊扣L型板静力学分析结果Fig.9 Static analysis results of L-shaped plate with front suspension buckle

由图9可知，前吊扣L型板的最大变形量约为0.265 mm，最大应力为88.524 MPa，均位于安装孔处。

4.2.5 前吊扣

仿真分析所得前吊扣的变形云图和von-mises应力云图如图10所示，由图可得前吊扣的最大变形量约为0.290 mm，位于底座直角处，最大应力为57.879 MPa，位于右侧立柱中间处。

图10 前吊扣静力学分析结果Fig.10 Static analysis results of the front suspension buckle

4.2.6 拉杆吊挂

仿真分析所得拉杆吊挂的变形云图和von-mises应力云图如图11所示。由图11可知，左1拉杆吊挂的最大变形量约为0.094 8 mm，位于耳片下端，最大应力为94.502 MPa，位于耳片外缘处；左2拉杆吊挂的最大变形量约为0.012 7 mm，最大应力为51.664 MPa，均位于耳片螺栓孔周围；右1拉杆吊挂的最大变形量约为0.021 8 mm，位于耳片外缘处，最大应力为62.213 MPa，位于耳片螺栓孔处；右2拉杆吊挂的最大变形量约为0.168 mm，最大应力为150.76 MPa，均位于耳片下端。

图11 拉杆吊挂静力学分析结果Fig.11 Tie rod suspension static analysis results

5 结论

经过SolidWorks软件的三维建模和适当简化，对自主设计的高压水炮系统水箱及各连接件进行了静力学分析，得出以下结论：

1）消防水箱的静力学分析结果显示，其最大变形量约为5.248 mm，出现在消防水箱下壳体的排水口处；最大应力为162.2 MPa，出现在高压水泵、电源及保护盒与消防水箱的安装孔连接处；连接件与消防水箱的连接处、水箱下壳体排水口处均出现了应力集中现象。最大应力小于碳纤维复合材料的许用应力值，最大变形量对水箱的使用影响较小，该零件符合设计标准。

2）连接件的静力学分析结果显示，后吊挂座、前吊压板、前吊扣L型板和前吊扣的最大变形量为左2后吊挂座的0.888 mm，出现在其底座上。最大应力为前吊扣L型板的88.524 MPa，出现在其安装孔处。长、短拉杆最大变形量为右长拉杆的0.853 mm，出现在耳片部位。最大应力为右短拉杆的339.49 MPa，出现在拉杆与耳片之间。拉杆吊挂最大变形量为右2处的0.168 mm，最大应力为右2处的150.76 MPa，均出现在耳片下端。各连接件的最大应力均小于其材料所允许的应力破坏值，最大变形量较小，满足设计标准要求。

3）通过对高压水炮系统水箱及其连接件的静力学分析可知，在施加最大限制载荷系数和极限载荷系数后，该系统结构设计在满载情况下仍具备足够的强度与刚度。可见该设计不仅符合适航标准规定，且确保了高压水炮系统与直升机的结构紧密连接。这为后续高压水炮系统的优化提供了理论依据。