基于能量原理的直升机系留载荷计算

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1、总第166期2011年第l期直升机技术HELIC0mRTECHNIQUETotalNo．166No．120ll文章编号：1673一1220(2011)01蜘6讲基于能量原理的直升机系留载荷计算郑亚雄(中航工业直升机设计研究所，江西景德镇333001)摘要针对直升机系留系统，基于虚功原理推导了机体刚体位移的方程组。应用NeWton—R印hs∞迭代法可求解机体在外载作用下的刚体位移，从而求得系留索和系留接头的载荷。与有限元方法相比，此方法便于处理索具的预紧力和起落架的初始压缩，计算精度也符合工程应用的要求。关键词直升机；系留；能量原理中

2、图分类号：0316文献标识码：AMooringLoadComputationofHelicopterBasedonEnergyPrincipleZHENGYa)【iong(ChinaHelicopterResearchandDevelopmentInstitute，Jingdezhen33300l，China)AbstmctAequationssetofrigiddisplacementofthehelicopterbodyw鹊derivedbasedonvirnJalworkprinciple．Ne叭on—Raphsonitera

3、tiVemethodw船usedtosolveri百ddisplacement，thentlIem00ringloadofchainsandjointsw鹪computed．Comp矗ngwithfiniteelementmet}lod，tIlemetIlodismoreconvenientfordealingwitIlpretighteningforceandinitialcompression，aIldtlleresultisa·vailablefhen西neeringapplication．Keywor(1shelicopte

4、r；mooring；energyprincipleO引言为保证直升机系留时的机体和系留设备的强度要求，需要对直升机的系留状况进行分析，以得到系留索和系留接头上的载荷。传统的系留载荷计算方法包括矩阵力法和位移法⋯两种。由于系留计算属于超静定问题，并且系留索和起落架都具有单向承载的特性，而起落架的载荷和位移之间又具有非线性的关系，因此矩阵力法在实际应用上比较繁琐，不便于程序实现。位移法的基本公式就是位移有限元法的计算公式。t目前在实际的工程计算当中，通常建立有限元模型进行非线性分析，用刚体元模拟机身，用杆元模拟系留索具和起落架，通过材料

5、的不同拉压刚度模拟单向承载的特性拉引。但这种方法对于索具的预紧力和起落架的初始压力需要转化为初始应变施加在模型上，而对于不同重量重心的工况，起落架的初始压力也不相同。考虑到起落架刚度的非线性关系，初始应变的计算存在着一定的困难。另一种计算方法依据能量原理，运用迭代法进行系留载荷的计算H引。这种方法计算相对简便，但收稿日期：20ll旬1-29作者简介：郑亚雄(1984一)男，江西高安人，博士。工程师，主要研究方向：直升机静强度设计。2011年第1期郑亚雄：基于能量原理的直升机系留载荷计算·7·它忽略了起落架的变形，起落架的载荷仅根据与

6、索具载荷和外载平衡得到，并且将机体的刚体位移限制在甲板平面内。这就相当于将起落架简化为无限刚硬的结构，而对于超静定问题，模型中刚度分配不准确会导致载荷分配产生差异。针对现有系留载荷计算方法的局限性，本文在文献[4]的基础上，基于虚功原理推导了机体具有6个刚体位移自由度时的方程组，在此基础上可求解出系留载荷和起落架(或千斤顶)的载荷。1基本原理1．1机身运动前后的坐标关系机身在空间内的刚体运动共6个自由度，即沿三个坐标轴方向上的平移u、tI和埘，以及俯仰角a、偏航角卢以及横滚角咖。设矾一矾一皿和∥，一日’，一日’：分别为机体发生刚体位

7、移前后的坐标系，则两者的关系为刚：：≤毫：怒蠹：耋螺㈨。：k嚣=咖咖【-sinaco印cos咖+si邮sin咖一cosasi邮co印cos咖+sindsi邶sin咖一1一sinasi邴cos咖+co印sin咖f“1u={影}(4)I埘J1．2索具和起落架的内力索具和起落架可简化为仅受拉或压的二力杆，载荷和应变的关系r=以占)通过试验确定。当存在初始载荷％时，首先根据载荷应变的关系确定初始应变占。，然后根据，=以占+岛)来计算应变占下的载荷。．考虑索具在自重和张力作用下的非线性关系时，可利用Emst公式，用索具的等效弹性模量描述其性能

8、哺】。此时索具的等效割线模量为_F‰2■嘭而∞)一24碍严式中E为索具初始弹性模量，形为单位长度索具重量，￡，为索具水平投影的长度，A为索具截面积，％和r分别为初始张力和最终张力。由于此时E。与r相关，无法直接根据占求得r，需要进行迭