姜大成 熊俊卿 門坤發(fā) 王金亮 尹洪國

摘 要：建立直升機復合材料前緣錐體有限元模型，根據影響結構剛度和強度的參數對該有限元模型進行修正，使模型達到工程應用精度的要求，分析批量產生的前緣錐體變形不合格數據，利用修正的有限元模型進行加強方案的確定，根據不合格數據范圍選擇不同的結構加強方案，根據加強方案補強后的前緣錐體，裝配到垂尾上后進行剛度試測試后滿足了剛度指標要求。

關鍵詞：復合材料;CAE;有限元;剛度;變形

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0081-02

0 引言

隨著計算機軟件和有限元分析技術的發(fā)展，CAE仿真技術在產品研發(fā)中的作用已經無可替代。隨著CAE應用的普及，工程技術人員對CAE結果的可靠性也提出了更高的要求，任何減小CAE結果與實機測試結果的差距，稱為CAE工程技術熱暖需要解決的首要問題。將實機測試結果與CAE分析結果進行比較，通過調整CAE模型或者改變實機測試方法來減少計算機仿真與物理實機測試結果之間的差距，從而降低模擬模型的誤差。

直升機復合材料前緣錐體剛度指標要求較高，生產產品出現(xiàn)了多架次剛度指標不合格現(xiàn)象，通過分析不合格的剛度測試數據，利用修正的前緣錐體的有限元模型，通過計算分析找出影響結構剛度的關鍵因素和位置，結合工藝可實施性、影響外觀以及增重等方面確定了最佳修復方案，根據修復后剛度測試結果，滿足了剛度要求，為公司挽回大量的經濟損失，同時也積累了處理前緣錐體剛度不合格問題的修復方案。

1 前緣錐體的剛度測試及影響因素分析

直升機涵道垂尾結構，尾槳葉位于涵道內部，尾傳動軸通過前緣錐體，因此，涵道垂尾結構除了要求滿足強度要求之外，還需要滿足一定的剛度指標，剛度測量點以及試驗的加載點示意圖如圖1所示。其剛度指標主要是檢查產品質量的可靠性。前緣錐體剛度要求嚴格的因素是考慮尾傳動結構和涵道內環(huán)結構，要求在整個服役期間各種飛行姿態(tài)下尾傳動軸和涵道內環(huán)的尾槳葉都不會與前緣錐體或者涵道發(fā)生干涉，如果產生干涉，會影響飛行安全，產生不可預期的甚至災難性的后果，因此，必須使其滿足一定的剛度指標要求。

在進行剛度測試時，對前緣錐體的頂部位置施加一定的載荷，上圖給出了位移傳感器布置位置，C1和C2點是變形測試點，其中給出C1點的變形數據為：撓度值13mm<測量值<14.9mm，殘余值<1.0mm作為變形檢測合格判定的依據。

為了使剛度不合格前緣錐體產品達到合格標準，通過分析數據發(fā)現(xiàn)，其整體剛度值至少要提高2%能使不合格產品的9件中的7件滿足要求，整體剛度至少提高4%能使所有的不合格數據均能滿足要求。依據這個指標，對前緣錐體的加強方案進行確定。同時，生產車間對于該批次變形不合格原因進行了分析，分析結果如表1所示，其中主要原因更換材料后其彈性模量與先前的材料的彈性模量略低，同時在成型過程中，其固化參數選擇不合理是可能產生變形不合格的主要因素。

2 前緣錐體有限元模型的建立和修正

針對前緣錐體建立有限元模型，根據分析結果給出加強方案。調整有限元模型的材料參數，在有限元模型中，層壓板的參數彈性模量和厚度均取的均值，因此，計算模型時的剛度時數據是滿足要求的，邊界條件，在連接螺栓對應的點位置約束X、Y、Z三個平動方向，在前緣錐體連接框的其它位置約束面外的方向，在直升機上對應的是測試剛度位置施加試驗所用的載荷。變形測量選取與實際位置一致，從圖2有限元的變形云圖可見，在剛度測試對應的C1點計算變形13.7mm，在標準值13.0～14.9mm之間，表明利用V&V修正的前緣錐體有限元模型可靠度在工程可接受的范圍。

從圖2有限元變形曲線可見：

在“圓筒”邊緣位置變形1.79mm，變形隨著剖面剛度的減少而逐漸變大至變形測量點。根據以上數據分析分析，初步的加強方案如下，主要是分層三段：

以最大變形15.54mm計，需要在變形點處剛度處在最大載荷作用下變形比初始變形減少0.08mm即能滿足要求，因此這里給出減少0.1mm進行剛度增加。

3 對前緣錐體的加強方案

根據對結構形式分析和從計算結果的變形情況對結構給出加強方案，同時還要滿足如下條件：

不會引起結構強度較大幅度的變化或引起結構傳力路線的變化;結構的變形趨勢不能改變;對總體剛度貢獻率最高;結構重量增加最小;可實施性好。鑒于以上幾條，對前緣錐體的加強方案如下：

加強方案1：在前緣錐體“圓筒”位置上下各增加一層織物;加強方案2：在前緣錐體“圓筒”位置上半位置增加一層織物;加強方案3：在前緣錐體“圓筒”位置下半位置增加一層織物;加強方案4：在前緣錐體上部前梁緣條上增加一層織物和一層單向帶;以及以上方案的兩種或者三種組合。

按以上加強方案對結構進行極強，其計算結果匯總如下，其中根據剛度提高率對原始狀態(tài)的前緣錐體變形測量值[13.0，14.9]進行放大。將以上四種加強方案的計算結果匯總，同時根據計算結果對其進行某兩種工況進行組合計算，根據提高的剛度將原來的合格剛度值進行放大，也就是根據加強后剛度的合格范圍值可以選擇對應的加強方案。該結果值經過有限元模型進行修正的結果，因此結果是可靠。

將不合格的前緣錐體按照表2的加強方案進行修理，修理后裝配到涵道垂尾后，經過對涵道垂尾再次進行變形測量，其涵道垂尾的變形合格值為：C1點變形和和殘余撓度值13mm<測量值<14.8mm，殘余值<0.6mm;C3點變形和殘余撓度值28mm<測量值<32mm，殘余值<1.2mm。按照加強方案對剛度偏弱的前緣錐體進行相應的加強，加強后組裝到涵道垂尾上后進行變形測試，其測試結果滿足要求，進一步驗證了前緣錐體在變形測試中滿足要求的范圍內裝配到涵道垂尾結構中才能滿足要求。

4 結語

對這批變形不合格前緣錐體按照確定的有限元模型計算結果進行修理方案的確定，并將修理后的結構裝配到涵道垂尾上，變形測量結果表明涵道垂尾滿足變形和殘余指標要求，通過此次修理掌握了對于前緣錐體變形不合格的修理方案，根據變形的偏離情況選擇合理的加強方案。

參考文獻

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