茹 煜 ，薛江坤 ，劉 彬 ，方樹平 ,2，胡晨明 ，周 杰

（1. 南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2. 安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，鳳陽(yáng) 233100）

0 引言

在森林病蟲防治中主要使用有人駕駛直升機(jī)（簡(jiǎn)稱直升機(jī)）進(jìn)行航空施藥[1-2]，其具有響應(yīng)速度快，農(nóng)藥利用率高、防治效果明顯等特點(diǎn)[3-5]。直升機(jī)施藥藥箱作為儲(chǔ)存藥液的主要載體，在作業(yè)前按照作物所需藥量及農(nóng)藥的理化特性混合配比使藥液中有效成份完成充分溶化與均勻混合后注入藥箱中，此時(shí)藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)現(xiàn)象對(duì)農(nóng)藥液藥質(zhì)的提升意義不大，反而藥液的晃動(dòng)現(xiàn)象使得直升機(jī)飛行平衡性得不到保障，因此需設(shè)計(jì)合理的藥箱防晃結(jié)構(gòu)來(lái)有效抑制藥液的晃動(dòng)，提高直升機(jī)的操控性能，降低藥液晃動(dòng)對(duì)藥箱結(jié)構(gòu)的沖擊而引起的疲勞破壞和連接件松動(dòng)[6-7]?，F(xiàn)有的直升機(jī)施藥藥箱大都為航空公司自行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并存在很多弊端，一般直接將藥箱焊接在飛機(jī)底架上，清理維護(hù)困難，且藥箱內(nèi)部防晃結(jié)構(gòu)的抑制晃動(dòng)效果較差，飛行平衡性得不到保障，使得飛機(jī)的使用受限。尤其在變速飛行中，慣性導(dǎo)致藥箱內(nèi)的藥液劇烈晃動(dòng)[8]，直接影響飛行穩(wěn)定性、增加飛機(jī)能耗，并使得直升機(jī)施藥藥箱使用壽命的下降[9]。因此，合理的藥箱防晃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)航空施藥技術(shù)穩(wěn)定性與安全可靠性具有重要意義[10-12]。

李熙等[13]為降低農(nóng)用無(wú)人機(jī)受藥液晃動(dòng)造成失穩(wěn)的問題，采用阻尼格柵對(duì)輕型無(wú)人機(jī)藥箱的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)流體體積多相流及非穩(wěn)態(tài)k-ε湍流模型對(duì)無(wú)人機(jī)側(cè)向急停激勵(lì)下的充液率（液體所占藥箱容積的比率）、格柵布置高度、布置形式及槽數(shù)進(jìn)行防晃效果研究。于金友等[14]通過構(gòu)建模擬工況的六自由度藥箱晃動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，以側(cè)壁所受藥液壓力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了圓柱形及U 型藥箱在不同充液率、不同運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下的晃動(dòng)特性，充液率在0.7 之前，液體對(duì)箱體內(nèi)壁的壓力會(huì)隨充液率的增加而增加；0.7～0.9 時(shí)藥液晃動(dòng)程度最為劇烈；接近滿載時(shí)，由于藥箱內(nèi)空間較小，晃動(dòng)程度減弱。AHMED 等[15]提出了一種適用于矩形、平面六角形和水平圓柱形農(nóng)藥罐的防晃擋板球結(jié)構(gòu)，并比較了防晃擋板和擋板球的防晃效果，在抑制晃動(dòng)高度上，防晃擋板優(yōu)于擋板球，但擋板球的表面張力分布可以減少晃動(dòng)的效果和沖擊時(shí)間，并通過室外無(wú)人機(jī)試驗(yàn)測(cè)試藥箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果，為未來(lái)的無(wú)人機(jī)藥箱防晃設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。CHEN 等[16]通過調(diào)整防晃隔板的層數(shù)及寬度，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化后，借助數(shù)值仿真研究影響圓柱形貯箱內(nèi)液面翻卷破碎的原因。GAO 等[17]采用線性勢(shì)流理論和有限元方法，研究了多孔擋板的形狀、數(shù)量、多孔效應(yīng)參數(shù)、外載荷頻率和儲(chǔ)罐形狀對(duì)液體晃蕩響應(yīng)的影響，驗(yàn)證了液體晃動(dòng)是一個(gè)多因素耦合現(xiàn)象。ZHAO 等[18]采用有限分析Navier-Stokes 方法，研究了部分填充LNG儲(chǔ)罐（liquefied natural gas）的三維晃動(dòng)，并在準(zhǔn)確模擬LNG儲(chǔ)罐內(nèi)晃動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用CLSVOF 方法預(yù)測(cè)了罐壁受到的沖擊壓力，該方法具有準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)能力。

以上研究主要集中于輕型無(wú)人機(jī)藥箱及大型圓柱形貯箱。直升機(jī)施藥時(shí)飛速變化幅度大、工況復(fù)雜，且直升機(jī)施藥藥箱幾何外型較無(wú)人機(jī)藥箱相比差異較大，因此需對(duì)其內(nèi)部的藥液晃動(dòng)與防晃結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究。本文以豎直截面形狀為腰圓的直升機(jī)藥箱為研究對(duì)象，通過流體理論分析與Fluent 軟件中的 VOF 多相流模型，對(duì)箱體內(nèi)流場(chǎng)晃動(dòng)過程中的自由液面進(jìn)行追蹤仿真，并根據(jù)直升機(jī)施藥作業(yè)軌跡特征，搭建液體晃動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，通過晃動(dòng)平臺(tái)模仿實(shí)際作業(yè)工況，將仿真模擬與藥箱液體晃動(dòng)平臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果相結(jié)合，確定合理的直升機(jī)藥箱防晃阻尼柵格結(jié)構(gòu)，以期降低施藥作業(yè)時(shí)藥液晃動(dòng)影響，為有人駕駛直升機(jī)施藥藥箱防晃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 藥液晃動(dòng)計(jì)算原理及仿真

1.1 藥液晃動(dòng)計(jì)算方法

直升機(jī)施藥藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)本質(zhì)為帶有自由分界面的流體在有限的空間內(nèi)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，滿足質(zhì)量守恒方程及動(dòng)量守恒方程[19-22]，可使用質(zhì)量守恒方程描述：

式中ρ為流體密度，kg/m3；t為流體流動(dòng)時(shí)間，s；u、v、w分別為速度矢量U在x、y、z3 個(gè)方向上的分量，m/s。

動(dòng)量守恒方程微分表達(dá)式為

式中p為微元體上壓強(qiáng)，Pa；τxx、τxy、τxz、τyy、τyz、τzz為作用在微元體表面黏性應(yīng)力的分量,Pa；fx、fy、fz為微元體在不同方向上的單位質(zhì)量力，m/s2。

1.2 藥液晃動(dòng)計(jì)算模型

1.2.1 藥箱模型

為研究藥液的晃動(dòng)特性，保留箱體的主體形態(tài)特征，大多數(shù)直升機(jī)（R44 直升機(jī)、AS350B3e 直升機(jī)、阿古斯特-AW109 直升機(jī)等）藥箱外殼形狀相近，本文選取R44 直升機(jī)搭載的藥箱為研究對(duì)象，將箱體簡(jiǎn)化為豎直截面為腰圓的近長(zhǎng)方體殼體模型，尺寸為長(zhǎng)2 000 mm，寬800 mm，高200 mm，壁厚4 mm，藥箱整體外形尺寸對(duì)稱，選取藥箱的豎直正中間截面為參考平面以反映內(nèi)部流體的流動(dòng)特性。由于藥箱變速運(yùn)動(dòng)時(shí)藥液會(huì)產(chǎn)生較大的液面波動(dòng)并沖擊箱體前部，形成水躍[23-24]，液體對(duì)箱壁沖擊力的極值出現(xiàn)垂直于箱體運(yùn)動(dòng)方向上箱壁上，因此將參考點(diǎn)布置在箱體前部水平面與圓弧連接處且位于參考平面，藥箱的三維模型、參考平面、參考點(diǎn)具體位置如圖1 所示。建立模型后在Fluent 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用mesh 模塊對(duì)箱體流體計(jì)算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，液體晃動(dòng)問題屬于非定常、瞬態(tài)問題，求解器選擇壓力基求解器，自由液面跟蹤選取VOF 模型（主相為空氣，第二相為水），湍流模型選擇具有穩(wěn)定、計(jì)算精度高且在雷諾應(yīng)力上保持與真實(shí)湍流一致的Realizablek-ε模型，壓力-速度耦合方式選擇PIOS 算法，箱體外壁設(shè)計(jì)為無(wú)滑移壁面邊界條件，在計(jì)算中不考慮液體的傳熱問題。

圖1 直升機(jī)施藥藥箱模型Fig.1 Model of helicopter application tank

1.2.2 激勵(lì)曲線

直升機(jī)施藥藥箱內(nèi)的藥液晃動(dòng)可視為外界激勵(lì)施加到藥箱。仿真采用直升機(jī)起飛加速、轉(zhuǎn)向加速的實(shí)際飛行工況（初始速度0，勻加速運(yùn)動(dòng)約33.4 m/s，加速距離為500 m 左右），即在初始時(shí)刻直升機(jī)藥箱的速度、加速度都為0 的狀態(tài)，在0～0.4 s 以1 m/s2的加速度做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在0.4～1 s 做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在1 s 時(shí)刻進(jìn)行緊急制動(dòng)，速度瞬減為0。根據(jù)直升機(jī)加速飛行工況添加的藥箱激勵(lì)曲線如圖2 所示。

圖2 施藥藥箱外界激勵(lì)曲線Fig.2 External excitation curve of application tank

1.3 阻尼柵格設(shè)計(jì)

1.3.1 設(shè)計(jì)原理

藥箱內(nèi)液體產(chǎn)生晃動(dòng)，液體具備了能量，該能量包含動(dòng)能以及勢(shì)能[25-26]?；蝿?dòng)過程中，液體的動(dòng)能與勢(shì)能不斷轉(zhuǎn)化，因而會(huì)對(duì)箱體側(cè)壁產(chǎn)生沖擊載荷。因此，抑制液體晃動(dòng)的根本問題是如何有效地降低晃動(dòng)液體的能量，進(jìn)而降低液體的重心變化及液體對(duì)箱體的沖擊載荷[27]。通過在箱體內(nèi)部布設(shè)阻尼柵格結(jié)構(gòu)（柵格條與柵格槽按一定規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)）來(lái)改變充液系統(tǒng)內(nèi)晃動(dòng)液體的邊界條件[28]，從而改變液體的晃動(dòng)頻率和沖擊載荷等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

阻尼柵格結(jié)構(gòu)主要從邊界層能量耗散、流體內(nèi)部能量耗散和繞流能量耗散這3 個(gè)方面影響充液系統(tǒng)[29-30]。由于絕大多數(shù)的藥液黏性系數(shù)量級(jí)為10-6[31-32]，根據(jù) 3種不同能量耗散的計(jì)算公式可知，繞流阻力產(chǎn)生的能量耗散遠(yuǎn)高于流體內(nèi)部能量耗散和邊界層阻尼造成的能量耗散，因而在設(shè)計(jì)阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)只需要考慮繞流阻力[33]。其中，由繞流阻力造成的能量耗散Dd[34]可以表示為

式中Cd為阻力系數(shù)；Sz為阻尼結(jié)構(gòu)邊界；ρf為流體密度，kg/m3；? φ為液體相對(duì)阻尼結(jié)構(gòu)速度的梯度；s為障礙物在相對(duì)速度垂直方向的投影面積，m2。由式(3)可知，阻尼結(jié)構(gòu)附近液體的流速越大，則繞流阻尼耗散的能量越大，因此防晃阻尼結(jié)構(gòu)應(yīng)布置于液體速度較大的位置。

由于藥箱內(nèi)藥液在作業(yè)中是一個(gè)動(dòng)態(tài)減少的過程，為獲取箱體內(nèi)部液體流速大小分部情況，對(duì)原箱體（藥箱內(nèi)腔無(wú)防晃結(jié)構(gòu)的箱體）在0.4、0.6 及0.83 種充液率下，借助仿真軟件Fluent 的用戶定義函數(shù)功能施加如圖2 所示的外界激勵(lì)曲線后進(jìn)行計(jì)算，晃動(dòng)時(shí)間持續(xù)10 s，選取的多相流模型、湍流模型、求解算法、邊界條件等均如上文所述。以充液率為0.6 的情況為例，藥箱以參考平面沿y方向分為左、右兩側(cè)，其速度分布如圖3所示，速度最大值出現(xiàn)在箱體的上部，左右兩側(cè)出現(xiàn)的位置約呈對(duì)稱分布且充液率0.4 與0.8 時(shí)也呈現(xiàn)相同的速度分布現(xiàn)象。因此阻尼柵格的安裝布置都應(yīng)圍繞這一結(jié)論。

圖3 充液率0.6 時(shí)藥箱中間截面速度分布Fig.3 Velocity distribution in the middle section of tank with a filling ratio 0.6

1.3.2 柵格設(shè)計(jì)

對(duì)豎直阻尼柵格與水平阻尼柵格兩種類型的柵格結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。阻尼柵格布置于豎直方向上，其厚度為4 mm（如圖1 所示），試驗(yàn)箱體內(nèi)部高度為200 mm，柵格結(jié)構(gòu)按高度分別取為100、120 和140 mm，柵格槽寬為10 mm，柵格條寬為20 mm。將2 塊柵格對(duì)稱固定在箱體內(nèi)上壁，安裝間距為20 mm，中心距為400 mm。柵格槽數(shù)分別設(shè)置了3、5、7、9 及11 個(gè)，直至柵格側(cè)邊緣趨向于藥箱的側(cè)邊，布滿整個(gè)箱體內(nèi)部。豎直阻尼柵格的布置方式如圖4a 所示。

圖4 柵格布置示意圖Fig.4 Diagram of grid arrangement

對(duì)于水平方向上的柵格，水平阻尼柵格的厚度為4 mm，柵格槽寬為10 mm，柵格條寬為20 mm。其長(zhǎng)度為與箱體的寬度相等，柵格結(jié)構(gòu)按高度分別為70、100 和130 mm，分別對(duì)應(yīng)柵格槽數(shù)由上向下增加，數(shù)量為2、3、4 個(gè)，安裝間距為20 mm，布置方式如圖4b 所示。

1.4 模擬結(jié)果與分析

藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)為多因素耦合現(xiàn)象，藥箱的充液率在直升機(jī)施藥作業(yè)時(shí)動(dòng)態(tài)減少，不同充液率下的箱內(nèi)液體晃動(dòng)對(duì)箱體內(nèi)壁造成不同的沖擊，在激勵(lì)加速度下（如圖2 所示）由靜止開始運(yùn)動(dòng)，液體晃動(dòng)持續(xù)時(shí)間為10 s；變速運(yùn)動(dòng)是造成藥液晃動(dòng)的主要原因，本文設(shè)定藥箱加速度為0.5 及1.0 m/s22 種情況，充液率為0.8，由靜止開始運(yùn)動(dòng)，液體晃動(dòng)持續(xù)時(shí)間為10 s；阻尼柵格結(jié)構(gòu)的高度及寬度參數(shù)對(duì)藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)產(chǎn)生各異的抑制效果，本文設(shè)定在0.6 充液率下，采用水平柵格高度70、100、130 mm 在激勵(lì)加速度下由靜止開始運(yùn)動(dòng)，液體晃動(dòng)持續(xù)時(shí)間為10 s，來(lái)研究防晃阻尼柵格結(jié)構(gòu)的高度對(duì)液體晃動(dòng)影響；由于豎直防晃阻尼柵格的槽數(shù)增加時(shí)，寬度也隨之增加，設(shè)定槽數(shù)為3、5、7、9、11，柵格高度為100 mm，在激勵(lì)加速度下由靜止開始運(yùn)動(dòng)，液體晃動(dòng)持續(xù)時(shí)間為10 s，來(lái)研究防晃阻尼柵格結(jié)構(gòu)的寬度對(duì)液體晃動(dòng)影響。通過數(shù)值模擬的方法研究藥箱的充液率、加速度與柵格結(jié)構(gòu)的高度及寬度參數(shù)對(duì)箱體內(nèi)液體晃動(dòng)的影響，確定合理的柵格結(jié)構(gòu)且同類型藥箱可按照相似學(xué)原理[26]設(shè)定合理的柵格結(jié)構(gòu)尺寸。

1.4.1 不同充液率數(shù)值模擬及分析

監(jiān)測(cè)不同充液率下箱體內(nèi)參考點(diǎn)隨著時(shí)間的壓力變化情況，如圖5a 所示。施加激勵(lì)后，參考點(diǎn)壓力在初始時(shí)間內(nèi)近似看成線性增加，數(shù)值達(dá)到最大后，參考點(diǎn)的壓力不斷減小，又逐步上升出現(xiàn)一個(gè)短暫的平臺(tái)期，在2 s 后呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。隨著充液率的增加，參考點(diǎn)壓力的最大值也隨之增加，達(dá)到最大值的時(shí)間也隨之提前，充液率0.4、t=0.82 s 時(shí)的參考點(diǎn)壓力最大值為925.72 Pa，充液率0.6、t=0.75 s 時(shí)的參考點(diǎn)壓力最大值為1 110.47 Pa，充液率0.8、t=0.50 s 時(shí)的參考點(diǎn)壓力最大值為1 801.73 Pa。因此，充液率是影響箱內(nèi)液體沖擊的重要因素，由靜止開始勻變速過程中，初始階段箱體內(nèi)受力會(huì)線性急速增加，在穩(wěn)定后箱體內(nèi)壓力逐步呈現(xiàn)周期性變化。

圖5 不同參數(shù)下藥箱氣液相數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Numerical simulation results of gas-liquid phase of medicine tank under different parameters

1.4.2 不同加速度數(shù)值模擬及分析

監(jiān)測(cè)不同加速度下箱體內(nèi)參考點(diǎn)隨著時(shí)間的壓力變化情況，如圖5b 所示。在不同加速度下，在加速初始階段參考點(diǎn)壓力線性增加，迅速達(dá)到峰值，加速度為1.0 m/s2時(shí)，壓力在達(dá)到最大值后開始下降并出現(xiàn)穩(wěn)定期，經(jīng)歷短暫下降回升后參考點(diǎn)壓力值逐步平穩(wěn)。加速度為0.5 m/s2時(shí)，壓力在達(dá)到最大值后開始減少。隨后壓力又開始增大和降低，總體呈現(xiàn)鋸齒狀收斂。

1.4.3 阻尼柵格高度下的數(shù)值模擬

監(jiān)測(cè)不同高度的防晃阻尼柵格下箱體內(nèi)參考點(diǎn)隨著時(shí)間的壓力變化情況，如圖5c 所示。參考點(diǎn)壓力在短時(shí)間呈線性增加后壓力又逐步減少，10 s 內(nèi)的壓力圖出現(xiàn)數(shù)個(gè)極值，不同高度柵格參考點(diǎn)所受壓力的最大值都出現(xiàn)在第一個(gè)極值點(diǎn)，70、100 及130 mm 高度的柵格對(duì)應(yīng)出現(xiàn)最大壓力的時(shí)間和壓力值分別為t=0.48 s 時(shí)952.10 Pa、t=0.45 s 時(shí)1 039.69 Pa 及t=0.5 s 時(shí)1 155.16 Pa。隨著阻尼柵格高度的增加，藥箱內(nèi)部參考點(diǎn)所受到的最大壓力值也隨之增加，但達(dá)到最大壓力值時(shí)間點(diǎn)是相近的。其中100 mm 高度在10 s 內(nèi)波峰次數(shù)10 次，70 及130 mm的波峰次數(shù)為11 次，說明高度選為100 mm 時(shí)，液體晃動(dòng)的頻率更低，因此在進(jìn)行防晃阻尼柵格選擇時(shí)，選擇柵格高度為100 mm 為較合理的。

1.4.4 阻尼柵格寬度下的數(shù)值模擬

監(jiān)測(cè)不同柵格槽數(shù)下箱體內(nèi)參考點(diǎn)隨著時(shí)間的受力變化，藥箱受到激勵(lì)后的參考點(diǎn)最大壓力值的變化規(guī)律如圖5d 所示。柵格槽數(shù)由3 遞增至11，參考點(diǎn)所受最大壓力值逐漸減小，并在數(shù)量為9 時(shí)趨于穩(wěn)定，此時(shí)增加?xùn)鸥駭?shù)量對(duì)參考點(diǎn)所受最大壓力值影響不大。而在藥箱內(nèi)部增加?xùn)鸥癫蹟?shù)，防晃結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度將提高，同時(shí)柵格數(shù)量增多會(huì)降低防晃阻尼柵格強(qiáng)度。因此，防晃阻尼柵格選擇高度為100 mm，柵格數(shù)量為9 個(gè)的豎直阻尼柵格防晃結(jié)構(gòu)最為合理。

2 藥箱防晃試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

藥箱晃動(dòng)試驗(yàn)裝置布置于室內(nèi)（圖6），為便于觀測(cè)，試驗(yàn)藥箱由亞克力板制成，內(nèi)部可布設(shè)阻尼柵格結(jié)構(gòu)。藥液大多為水溶劑，因此試驗(yàn)時(shí)用水來(lái)代替藥液，為便于高速攝影儀采集圖像，在水中添加紅色染劑并在試驗(yàn)藥箱以突出液面圖像。實(shí)際的液面獲取過程中液面晃動(dòng)形成水躍與液面翻卷破碎形成不連續(xù)的液面將補(bǔ)光燈的光進(jìn)行反射，造成高速攝影儀進(jìn)行三維液面圖像采集時(shí)出現(xiàn)大量的背光區(qū)，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)陰影，難以再反映真實(shí)的液面變化狀況。因此，高速攝影儀采集液面圖像時(shí)與藥箱布置在同一高度的運(yùn)動(dòng)方向正側(cè)方，并借助左右補(bǔ)光燈提供輔助光線；壓力參考點(diǎn)設(shè)置同上文所述，以此獲得不同工況參數(shù)下的液面圖及箱體內(nèi)部壓力值，試驗(yàn)方法示意圖如圖6a 所示。藥箱晃動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)主要由工況姿態(tài)調(diào)整裝置與工況加速度調(diào)整裝置組成，可實(shí)現(xiàn)模擬施藥藥箱的工況姿態(tài)及工況加速度兩個(gè)功能。

圖6 試驗(yàn)方法及裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置Fig.6 Test method and installation field test layout

2.1.1 工況姿態(tài)調(diào)整裝置

藥箱通過螺栓固定在由3 根電動(dòng)推桿支撐的上支撐板上，通過遙控器控制3 個(gè)推桿的伸長(zhǎng)量與上支撐板形成相應(yīng)的角度實(shí)現(xiàn)藥箱位姿前后、左右的角度調(diào)節(jié)。試驗(yàn)箱體長(zhǎng)為2 000 mm，為確保角度能在0°～20°之間調(diào)節(jié)，由正弦函數(shù)關(guān)系可知推桿行程應(yīng)大于684 mm，選定推桿行程為700 mm，電壓為24 V。本試驗(yàn)臺(tái)推桿僅用于工況姿態(tài)調(diào)整，需要具有一定的承載能力，對(duì)于速度要求不高，優(yōu)先考慮推力，選用推力1 300 N，速度7 mm/s 的推桿，通過對(duì)碼鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)推桿的單獨(dú)控制，借助遙控器控制推桿的前進(jìn)、后退及暫停。

2.1.2 工況加速度調(diào)整裝置

直升機(jī)作業(yè)時(shí)的狀態(tài)對(duì)應(yīng)藥箱不同的工況姿態(tài)，飛機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度相對(duì)于轉(zhuǎn)向半徑小很多，且實(shí)際轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向半徑不固定難以量化，因此試驗(yàn)只考慮施加的加速度沿一個(gè)方向，借助直線導(dǎo)軌給定初始加速度。推桿底部支座通過螺栓固定在下支撐板上，下支撐板通過螺栓固定在下方直線導(dǎo)軌上，由于藥箱內(nèi)部液體晃動(dòng)的程度較大，直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)選用具有緩沖吸振的同步帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同的初始加速度、工況姿態(tài)的調(diào)整及整體裝置的驟停。為提高其承載能力，選用160 mm 寬的同步帶，選用功率為4 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 的伺服電機(jī)，配合減速比為20 的減速器以提供較大扭矩。直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)由同步帶、安裝臺(tái)、聯(lián)軸器、PX80N020SA 減速機(jī)、伺服電機(jī)、單軸cm36 控制器、開關(guān)、SD300-20AL-GBF交流伺服驅(qū)動(dòng)器、電源及限位等組成，有效行程為2 m。借助控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)加速度、運(yùn)動(dòng)距離及方向調(diào)節(jié)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證藥箱阻尼結(jié)構(gòu)的防晃效果，獲取晃動(dòng)時(shí)藥箱內(nèi)部自由液面變化過程的圖像，選用Phantom 高速攝像機(jī)進(jìn)行采集，拍攝選擇的分辨率為1 280×800 像素，采樣速率200 幀/s，曝光時(shí)間為450 μs；選用奉化大橋精密儀器廠YJR-5A 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集藥箱箱壁壓力；選用雷普曼1 500 W 補(bǔ)光燈為試驗(yàn)提供輔助光線，以得到清晰的自由液面素材，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置如圖6b 所示。

試驗(yàn)均采用高度為100 mm，柵格數(shù)量為9 個(gè)的豎直防晃阻尼柵格進(jìn)行布設(shè)，以傾斜角度為0°，在激勵(lì)加速度下，研究0.4、0.6、0.83 種不同充液率在10 s 內(nèi)的晃動(dòng)情況。根據(jù)直升機(jī)實(shí)際起飛情況，本文設(shè)定在0.6 充液率下，加速度為0.5 及1.0 m/s22 種情況，藥箱由靜止開始運(yùn)動(dòng)，在0～0.4 s 做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在0.4～1s 做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在1 s 時(shí)刻進(jìn)行緊急制動(dòng)，速度瞬減為0，液體晃動(dòng)持續(xù)時(shí)間為10 s。直升機(jī)不同作業(yè)工況在試驗(yàn)臺(tái)上體現(xiàn)為藥箱的傾斜角度不同，直線勻速狀態(tài)與水平面夾角為0°；直線加速狀態(tài)為爬升姿態(tài)按照加速度的大小對(duì)應(yīng)夾角為前傾10°及前傾20°；實(shí)際減速為俯沖姿態(tài)，此時(shí)加速度往往恒定對(duì)應(yīng)著角度為后仰10°；左右的轉(zhuǎn)向只考慮轉(zhuǎn)向加速的情況，分別為左側(cè)身10°及右側(cè)身10°，共6 種角度對(duì)應(yīng)著6 種工況姿態(tài)。以充液率為0.5，在激勵(lì)加速度下為例，觀察6 個(gè)不同工況下液面，液體晃動(dòng)持續(xù)時(shí)間為10 s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 充液率對(duì)液體晃動(dòng)的影響

相同時(shí)間間隔下，觀察0.4、0.6、0.83 種充液率下藥箱內(nèi)部藥液晃動(dòng)幅度與液體晃動(dòng)趨于穩(wěn)定的時(shí)間的液面圖，如圖7 所示。以傾斜角度為0°、充液率為0.6 為例通過高速攝影儀拍攝的液面圖來(lái)看，自由液面呈現(xiàn)著一致性，隨著充液率變化液面的晃動(dòng)幅度未受到顯著的抑制，這說明充液率對(duì)于受激勵(lì)后的自由液面影響較小，對(duì)比不同時(shí)刻下的自由液面圖可知，隨著充液率的增加出現(xiàn)距離劇烈晃動(dòng)的時(shí)間會(huì)提前。

圖7 不同充液率下的液面Fig.7 Liquid surface diagram at different filling ratios

同時(shí)，相同高度下的防晃阻尼柵格在不同的柵格槽數(shù)與不同的充液率試驗(yàn)下所得箱體內(nèi)參考點(diǎn)的壓力不同，如圖8 所示。

圖8 不同柵格數(shù)時(shí)的受力對(duì)比Fig.8 Comparison of forces at different numbers of grids

不同的柵格數(shù)量，不同的充液率條件下獲取箱體所受到的壓力大小，隨著充液率的增加，箱體所受最大壓力值也隨之增加，以柵格數(shù)量為11 個(gè)的豎直防晃阻尼柵格為例，充液率為0.8 比0.4 時(shí)壓力增長(zhǎng)了27.7%。在同一充液率下，同一高度的柵格在增加?xùn)鸥駭?shù)量后能有效降低箱體所受激勵(lì)方向上的壓力幅值，但隨著柵格數(shù)量的持續(xù)增加，對(duì)于壓力的削弱變得有限。試驗(yàn)過程中，藥箱完成加速后保持勻速運(yùn)動(dòng)，充液率為0.6 及0.8 的箱體所受壓力會(huì)逐步穩(wěn)定下來(lái)，而充液率為0.4 會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)極值壓力，這可以說明在充液率較小的情況下，藥箱箱體會(huì)收到二次沖擊，而隨著充液率的增加，箱體所受到的二次沖擊逐漸消失，因此可以認(rèn)為充液率高的情況可以有效改善箱體收到激勵(lì)后的二次沖擊。

3.2 加速度對(duì)液體晃動(dòng)的影響

由圖9 不同加速度對(duì)比圖可知，在相同的充液量及防晃阻尼柵格條件下，采集相同間隔時(shí)間液面圖，加速度為1.0 m/s2較0.5 m/s2時(shí)液面晃動(dòng)更為劇烈，說明緩慢加速或減速能有效減少藥液晃動(dòng)情況，直升機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)緩慢加速及減速能有效緩解航空施藥時(shí)藥箱的晃動(dòng)問題。加速度的大小會(huì)影響液體晃動(dòng)的最大壓力幅值及到達(dá)到最大壓力的時(shí)間間隔，加速度為0.5 m/s2，t=0.45 s時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)最大壓力幅值為37.5 N；加速度為1.0 m/s2，t=0.435 s 時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)最大壓力幅值為110.2 N。對(duì)于不同初始加速度的試驗(yàn)，隨著激勵(lì)加速度數(shù)值變大，藥箱受到最大沖擊壓力的時(shí)間提前。

圖9 0.6 充液率時(shí)不同加速度下同時(shí)刻的液面對(duì)比Fig.9 Comparison of liquid levels at the same moment at different accelerations at 0.6 filling ratio

3.3 工況姿態(tài)對(duì)液體晃動(dòng)的影響

在加速初始階段，隨著前傾角度的逐步增大，自由液面的變化幅度增大。由于傾角的存在液體主體部分會(huì)偏向箱體前部，液體從開始晃動(dòng)到液面趨向穩(wěn)定時(shí)間間隔不同，0°姿態(tài)t=6.01 s、前傾10°姿態(tài)t=4.39 s 及前傾20°姿態(tài)t=3.33 s。隨著前傾角度逐步增大，開始晃動(dòng)到液面穩(wěn)定所花時(shí)間逐步減少，從0°轉(zhuǎn)變?yōu)?0°時(shí)間相對(duì)減少了44.6% (圖10)。由此可知，隨著前傾角度的逐步增加，所需穩(wěn)定時(shí)間減小，但隨著傾角的增加，傾角對(duì)于穩(wěn)定時(shí)間影響程度逐漸變小。

圖10 各工況姿態(tài)下不同時(shí)刻的液面Fig.10 Liquid level at different moments in each working attitude

后傾10°時(shí)箱體內(nèi)部液體偏向于箱體后部，而箱體的加速度方向是向前，因此從液體開始晃動(dòng)到液面平穩(wěn)過程中，液體晃動(dòng)的幅度相對(duì)較小，穩(wěn)定時(shí)間為t=4.09 s，較前傾10°的穩(wěn)定時(shí)間提升了6.83%。

左傾與右傾對(duì)藥液晃動(dòng)的影響本質(zhì)上相同，以左傾10°為例，藥箱內(nèi)部液體傾向藥箱低位一側(cè)，低位一側(cè)聚集的液體較多，因此液體晃動(dòng)程度相對(duì)較小，自由液面變化情況小，液體從開始晃動(dòng)到液面穩(wěn)定時(shí)間t=3.34 s；高位一側(cè)所聚集液體較少，液體從開始晃動(dòng)到液面穩(wěn)定時(shí)間t=4.05 s，且晃動(dòng)的液面更加激烈，液滴出現(xiàn)飛濺的情況。由此可知，在直升機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，藥箱位姿傾斜一側(cè)，液位較低的一面晃動(dòng)比液體高處更加激烈，同時(shí)從開始晃動(dòng)到液面平穩(wěn)所花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

以充液率0.6 為例，防晃阻尼柵格選擇高度為100 mm，柵格數(shù)量為9 個(gè)的豎直阻尼柵格，對(duì)比在與水平面夾角為0°時(shí)數(shù)值仿真和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，如圖11 所示。

圖11 數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比Fig.11 Numerical simulation and experimental comparison

在相同條件下，相同時(shí)間內(nèi)通過數(shù)值模擬得出液體晃動(dòng)自由液面情況與試驗(yàn)中借助高速攝影儀器采集的自由液面情況吻合度較好，說明借助Fluent 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。同時(shí)在圖中可以看出增加防晃阻尼柵格能夠有效減小受激勵(lì)后箱體內(nèi)液體晃動(dòng)幅度。與原箱液體相比，設(shè)置防晃阻尼柵格后，液體從開始晃動(dòng)到液面平穩(wěn)的時(shí)間隨之減少，相比較于原箱降低了54.8%，能夠起到較好的抑制效果。

4 結(jié)論

1）通過箱體內(nèi)液體晃動(dòng)仿真確定了液體沿激勵(lì)方向的速度最大值出現(xiàn)在箱體的上部，確定了阻尼柵格結(jié)構(gòu)布置位置。

2）通過數(shù)值模擬研究了充液率、激勵(lì)加速度及防晃阻尼柵格結(jié)構(gòu)高度、槽數(shù)對(duì)液體晃動(dòng)的影響。充液率越高，壓力幅值越大且達(dá)到峰值時(shí)間隨之提前。加速過程中，箱體內(nèi)壓力呈現(xiàn)線性急速增加，在穩(wěn)定后箱體內(nèi)壓力逐步呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。柵格高度的增加，藥箱內(nèi)部參考點(diǎn)所受到的最大壓力值也隨之增加，但達(dá)到峰值時(shí)間點(diǎn)是相近的且高度為100 mm 時(shí)，液體晃動(dòng)的頻率更低。柵格槽數(shù)增加，壓力峰值隨之變小，在數(shù)量為9 時(shí)趨于穩(wěn)定。

3）通過試驗(yàn)對(duì)布設(shè)柵格后的箱體進(jìn)行了效果驗(yàn)證。充液率對(duì)箱體的影響與仿真結(jié)果呈現(xiàn)一致，充液率0.8比0.4 的最大壓力增長(zhǎng)了27.7%，且在高充液率下箱體不易受到激勵(lì)后的二次沖擊。加速度越大，液體晃動(dòng)越明顯，沖擊力幅值越大且達(dá)到峰值時(shí)間隨之提前。隨著前傾角度的逐步增加，所需穩(wěn)定時(shí)間減小。側(cè)傾角度的出現(xiàn)，使液位較低的一面晃動(dòng)比液體高處更加激烈。

4）選擇柵格高度為100 mm，柵格槽數(shù)為9 個(gè)的豎直阻尼柵格，對(duì)比仿真和試驗(yàn)結(jié)果，兩者液面波形吻合度較好。該結(jié)構(gòu)能有效抑制液體晃動(dòng)，液面平復(fù)時(shí)間相比于原箱減少了54.8%，防晃效果明顯。