曹欣

摘 要：在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的今天，人們對于飛行器的安全教育也逐漸重視起來，這樣就對飛機(jī)中各部件有著新的要求。該文闡述了在工程設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)部件的具體流程和具體方法。其中使用SIZINGLOAD處理方法將計(jì)算載荷譜、部件構(gòu)型設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)目標(biāo)期限等用一個(gè)值有效聯(lián)系，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題有效處理，提供更加方便、更加有效的處理手段。以試驗(yàn)自動傾斜器不動環(huán)疲勞為主，對試驗(yàn)中處理問題的思路簡單介紹，希望能夠?qū)Υ祟惞こ唐鸬浇梃b的作用。

關(guān)鍵詞：直升機(jī) 旋翼系統(tǒng)部件 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

中圖分類號：V215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（c）-0013-02

在整個(gè)直升機(jī)系統(tǒng)中，直升機(jī)旋翼系統(tǒng)扮演著重要角色，發(fā)揮著重要的作用，這也是飛行運(yùn)動的基礎(chǔ)，對于飛行器來講，其自身的運(yùn)動比較復(fù)雜，在此過程中所承擔(dān)的運(yùn)行載荷也相對復(fù)雜，在此過程中，為了保證飛行器的安全運(yùn)行，對各個(gè)部件將會提出更高的要求。在注重強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，在其他國家直升機(jī)設(shè)計(jì)過程中廣泛應(yīng)用，但在我國才開始引入，就是因?yàn)槲覈氪朔椒〞r(shí)間較晚，導(dǎo)致我國直升機(jī)設(shè)計(jì)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及美國、德國等一些發(fā)達(dá)國家。該文首先分析了直升機(jī)旋翼系統(tǒng)部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要性，然后提出了引進(jìn)SIZING LOAD設(shè)計(jì)概念的可行性，最后提出了處理部件疲勞試驗(yàn)中問題的對策。

1 直升機(jī)旋翼系統(tǒng)部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要性

從當(dāng)前直升機(jī)的初步設(shè)計(jì)階段來看，目前直升機(jī)的設(shè)計(jì)得到人們的重視，從設(shè)計(jì)目標(biāo)和預(yù)估計(jì)設(shè)計(jì)載荷角度來看，目前直升機(jī)各部分的生產(chǎn)，例如工程設(shè)計(jì)、工程驗(yàn)證等，都需要在各種試驗(yàn)驗(yàn)證之后，才能對其進(jìn)行逐一落實(shí)。除此之外，直升機(jī)初步設(shè)計(jì)過程中，強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)占據(jù)著重要的地位，其中在直升機(jī)設(shè)計(jì)過程中，直升機(jī)中的全部，零件都需要進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)與驗(yàn)證，對于旋翼系統(tǒng)中的部件，需要從旋翼轉(zhuǎn)動的角度來提高零件的疲勞強(qiáng)度。也要考慮到一些低周疲勞因素，但在傳統(tǒng)旋翼系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的影響下，在設(shè)計(jì)中我國設(shè)計(jì)人員過度考慮高周疲勞因素，忽視了對低周疲勞因素的考慮，影響了我國直升機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。

2 SIZING LOAD設(shè)計(jì)

對旋翼系統(tǒng)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用安全壽命法，在此過程中需要對系統(tǒng)部件進(jìn)行疲勞測試，從中確定出相關(guān)部件的疲勞極限f，同時(shí)用安全疲勞極限中的f/2來計(jì)算相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度。這時(shí)，就需要SIZING LOAD概念的引進(jìn)。在設(shè)計(jì)旋翼系統(tǒng)強(qiáng)度的過程中，SIZING LOAD是很關(guān)鍵的概念，最初設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)荷載譜在材料的疲勞曲線作用下，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)目標(biāo)壽命的當(dāng)量載荷，這種載荷主要是相關(guān)部件接合的應(yīng)力計(jì)算，以此可以從中確定出構(gòu)型及部件的主要尺寸，這樣就可以保證部件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，這也被稱作SIZING LOAD。由材料S-N曲線表達(dá)式中，能夠看出S取何種載荷都沒有影響到曲線形狀，因此，首先應(yīng)拋開具體結(jié)構(gòu)帶來的影響，結(jié)合安全疲勞曲線，使用MNIER法計(jì)算期限。表1為計(jì)算載荷譜。

首先需要把安全疲勞曲線寫成F-N的形式，第一步我們主要確定和安全疲勞極限相互照應(yīng)的載荷，其為Sinf，此荷載應(yīng)結(jié)合部件在不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力下對其進(jìn)行調(diào)整，在此過程中也需要有一個(gè)Sinf值，也就確定出一條疲勞曲線，如圖1所示。

主要把疲勞曲線和載荷譜計(jì)算所形成的FI循環(huán)數(shù)Ni和實(shí)際循環(huán)數(shù)值ni完成計(jì)算。這樣就能得出載荷譜的總損傷計(jì)算公式，在此過程中，主要的壽命表示的是總的損傷達(dá)到壽命的SL=I/D，主要是按照不同的Sinf來實(shí)現(xiàn)計(jì)算，這樣就能從中計(jì)算出安全壽命和Sinf之間的函數(shù)曲線。隨后根據(jù)曲線和構(gòu)件目標(biāo)中的壽命，從中確定出Sinfo，如果說某一部件中的主要部分出現(xiàn)了擦蝕，那么就需要對其進(jìn)行計(jì)算。

首先，在沒有擦蝕的情況下，其中載荷主要是根據(jù)沒有擦蝕的曲線方程來確定；其次，當(dāng)有擦蝕的情況下，其中載荷主要是由擦蝕的曲線方程來確定；在其使用過程中，需要確定相關(guān)的疲勞荷載數(shù)值。并計(jì)算出每一個(gè)部件對應(yīng)的應(yīng)力。應(yīng)當(dāng)根據(jù)相關(guān)的計(jì)劃安排來實(shí)現(xiàn)全尺寸的疲勞試驗(yàn)，在此過程中，務(wù)必要將部件中的等效應(yīng)力進(jìn)行比較，其主要做出幾項(xiàng)必要的疲勞測試即可。其強(qiáng)度縮減系數(shù)可能會在0.5左右，并且若是正確估算飛行荷載譜預(yù)估算，就能獲得試用期限的目標(biāo)值。在沒有擦蝕的狀況下，由疲勞打樣載荷算出的等效應(yīng)力比較f/2。

3 零件中的疲勞試驗(yàn)及相關(guān)對策

一般來講，系統(tǒng)中的各部分零件都要在疲勞試驗(yàn)中來進(jìn)行測試，并且保證必要的疲勞極限，例如自動切斜器不動環(huán)為主的試驗(yàn)，圖2為自動傾斜器不動環(huán)示意圖。應(yīng)先確定出試驗(yàn)荷載，確定試驗(yàn)荷載是以分析部件應(yīng)力為主，結(jié)合應(yīng)力分析構(gòu)建起荷載-應(yīng)力關(guān)系和材料S-N曲線，再確定出初級動載荷。在處理部件疲勞試驗(yàn)中的問題時(shí)，應(yīng)結(jié)合問題的實(shí)際情況，選擇出相應(yīng)的處理對策，不能盲目地解決問題，避免問題擴(kuò)大化，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。在處理部件疲勞問題時(shí)，可總結(jié)處理每次問題的經(jīng)驗(yàn)，記錄每次出現(xiàn)問題的原因，為下次妥善處理這類型的問題奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

對于自動切斜器中的不動環(huán)來講，其第一級的實(shí)驗(yàn)載荷主要是-27 500 N、±25 000 N，當(dāng)其經(jīng)過50 000次的不斷循環(huán)以后，在一個(gè)支臂上就會出現(xiàn)裂痕，所出現(xiàn)的這個(gè)結(jié)果和疲勞試驗(yàn)中呈現(xiàn)的內(nèi)容不一致。綜合分析來講，一般由部件自身存在的缺陷、施加了過高的荷載引發(fā)了這樣的結(jié)果。在出現(xiàn)這樣的結(jié)果后，不能視而不見，應(yīng)該及時(shí)補(bǔ)救裂紋，避免裂紋擴(kuò)大。

通過采用不同的方法，進(jìn)一步尋找到了引起裂紋的主要原因，其主要是在不動環(huán)另一個(gè)完好的相似支臂中出現(xiàn)裂紋，其所貼的應(yīng)變片，將會施加5 000 N的靜載荷盈利。得到微應(yīng)變?yōu)?00×10-6，取E=70 000 N，則=28 MPa，在分析應(yīng)力結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)SIZING LOAD載荷F=27500±8515N，=116±36 MPa。這樣就能夠看出來，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果對比，前者要比后者低，真實(shí)應(yīng)力是=154±47.6 MPa。根據(jù)這個(gè)數(shù)值，就能分析得出裂紋出現(xiàn)并不是由于部件有缺陷造成的，而是試驗(yàn)荷載過高引發(fā)的。為了深入證明這一結(jié)論，從中系統(tǒng)性地分析了不動環(huán)有限元的計(jì)算，其可以在計(jì)算所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中看到，其對應(yīng)荷載F-=5000 N應(yīng)力值為=35 MPa。

當(dāng)逐漸掌握到了不動破壞的原因后，需要準(zhǔn)確處理另一個(gè)問題，也就是能否正確對其進(jìn)行應(yīng)用。一般來講，在初步設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)確定其計(jì)算載荷以后，為了保證穩(wěn)定性，通常都會使用保守的方法，這樣一來就可以借鑒其它機(jī)型之間的對比情況，其主要形式如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)可看出，不動環(huán)上的SIZINGLOAD值是有些偏高的，這樣在飛行荷載測量過程中，會不斷降低。并且，在此過程中使用載荷譜估算不動環(huán)的使用壽命，從有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，當(dāng)飛行載荷在測試時(shí)，載荷水平就會達(dá)到載荷譜計(jì)算，可是部件壽命還在490個(gè)小時(shí)內(nèi)容，在整個(gè)飛行安全檢測過程中，自動傾斜器不動環(huán)可利用在飛行載荷測量中，在確保飛行安全監(jiān)測下，再進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改部件。但實(shí)事求是的來講，我國還缺少專業(yè)的直升機(jī)旋翼系統(tǒng)部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)人員，這是我國直升機(jī)設(shè)計(jì)水平不高的真正原因，因此，我國急需要培養(yǎng)一大批專業(yè)的直升機(jī)部件設(shè)計(jì)水平，從而提高我國直升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，也能快速地解決在設(shè)計(jì)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)部件強(qiáng)度中出現(xiàn)的問題。

4 結(jié)語

根據(jù)以上分析來看，主要對直升機(jī)旋翼系統(tǒng)中相關(guān)部件進(jìn)行測試，并且從中也討論自動傾斜器不動疲勞試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮以下幾個(gè)問題：一是使用科學(xué)有效的應(yīng)力分析法，從中確定載荷和應(yīng)力的主要關(guān)系，這是疲勞試驗(yàn)載荷確定的首要工作。二是在其實(shí)驗(yàn)部件中貼上應(yīng)變片可以保證其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且還能掌握更多的載荷信息，便于及時(shí)處理出現(xiàn)的問題，通過研究后發(fā)現(xiàn)，這種方法很有效。同時(shí)，我國想要提高直升機(jī)旋翼系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)強(qiáng)度，還可以借鑒其他國家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和啟示，但這里所說的借鑒，并不是盲目的、一味的借鑒，而是應(yīng)該結(jié)合我國國情和直升機(jī)旋翼系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)強(qiáng)度實(shí)際情況，要有針對性、有目的性的借鑒，唯有這樣，才能真正地提高我國直升機(jī)旋翼系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)強(qiáng)度，促進(jìn)我國社會經(jīng)濟(jì)更加快速的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳廣鋒，張林讓，劉高高.基于微多普勒分析的直升機(jī)旋翼參數(shù)估計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2012（17）：249-253.

[2] 呂保良.直升機(jī)旋翼系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].直升機(jī)技術(shù)，2010（3）：68-70.