无人直升机运输托架设计及仿真分析

涂善俊

利用ANSYS有限元软件建立无人直升机运输托架结构有限元模型，对无人直升机运输托架在舱内和展开两种状态的加载情况进行分析计算，获得两种状态下托架两侧构件的微小变形量和最大应力值，得到的最大应力值均小于许用应力值235MPa，安全系数值也都在安全系数范围1.2～2.5之间，无人直升机运输托架满足结构强度要求和性能要求，能够为研制和生产提供有力保障。

中国直升机设计研究所

无人直升机运输车是无人直升机系统重要的配套保障设备，主要运输无人直升机及任务载荷设备、随机工具、无人直升机使用的油料等配套设备物资。而无人直升機托架（下称托架）是无人直升机运输车上的重要组成部分，安装在车厢内，在运输过程中用于固定无人直升机如图1所示，吊装和卸载无人直升机如图2所示。在吊装和卸载无人直升机时，托架需拉出舱体，拉出舱体后，托架需承载无人直升机的总重量。为正确设计且保证在舱内和展开状态下能承载无人直升机总重量的托架，满足托架需要的刚度和强度，应选用合适的材料，因此利用有限元分析软件ANSYS对舱内和展开两种状态的托架进行应力应变分析。

托架选取及设计

运输无人直升机有很多方式.为安全可靠地运输无人直升机，必须选取合适的运输车托架。

无人直升机托架的选取

无人直升机托架通常有舱体尾板式移动托架、舱体侧拉式抽拉托架如图3所示，考虑无人直升机的尺寸、装卸便捷、实用经济等因素，就需要选择合适的托架。

本文以AV500无人直升机为运输对象，综合考虑各种因素后选取抽拉托架进行研究，由图3（b）可知，舱内安装有2只托架，用以固定并短距离内移动无人直升机，以便完成无人直升机的运输及装卸。

托架设计

无人直升机托架主要由导轨、工装框架、可调节支撑腿、压框以及限位、减震装置等组成，托架结构示意图如图4所示。

托架结构理论分析

结构受力分析是计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力和应变。结构位移的目的是校核结构的刚度，保证它在使用过程中不会发生过大的变形;而在结构力学中计算位移的一般方法是以虚功原理为基础。

原理分析

虚功原理适用于包括线弹性结构在内的任何变形体结构，无论是静定的还是超静定的。为便于分析，将无人直升机运输托架简化成梁结构，对于弹性结构，分别施加于托架上形成两个彼此独立的状态如图5所示，这就对应了托架上无人直升机本身重量产生的载荷和运输过程中增加的载荷。

利用功能原理可以证明，若在结构施加外力P1，并达到平衡后再施加内力P2，使其产生位移和相应的变形，则外力在其他原因引起的位移上所作的虚功，等于内力在同一原因引起的相应变形上所作的虚功，可简单叙述为外力虚功等于内力虚功，用公式（1）表示。

（1）

其中外力P1单独作用下的平衡状态称为第一状态，内力P2单独作用下的位移状态称为第二状态。由于结构是线弹性，内力P2对结构的作用效果与结构上是否已有外力P1作用无关，所以图中△12的与各微段的变形和12与各微段因P2作用产生的变形相同。这样，虚功原理便可叙述为，第一状态的外力在第二状态的位移上所作的虚功等于第一状态的内力在第二状态的变形上所作的虚功。由于两个状态彼此独立无关，所以结构无论处于两个什么样的状态，只要第一状态的外力是平衡的，第二状态的位移是微小的，且为结构的约束条件和变形连续条件即变形后仍为连续体和不出现裂缝所允许，虚功原理都适用。因为在第二状态中，载荷、温度改变、支座移动等因素引起位移。

在梁和刚架中，位移主要由弯矩引起，轴力和剪力的影响很小，可忽略，因此△12位移公式为：

（2）

材料的本构关系分析

在ANSYS有限元分析中提供了材料的线性本构模型和非线性本构模型。本构模型又分为弹性、弹塑性、粘弹性等几种。对于无人直升机运输托架而言，关注的仅仅是钢架结构的受力状态，因此采用线弹性模型进行分析。考虑到材料参数对结构受力的影响，并查找相关分析资料，钢架结构与托架导轨间考虑接触，摩擦系数取为0。摩擦系数的取值考虑了钢架结构与托架导轨间的相对位移，即假设钢架结构与托架导轨间的相对滑动不会形成切向应力，仅对结构形成法向应力。因此，应力和应变应满足以下方程。

应力方程为：σ=F/S（3）

本构方程为（应力与应变关系）：

ε=μσ/∈ （4）

其中，F为载荷，S为受力面积，σ为应力，ε为应变，μ为泊松比，∈为弹性模量。

有限元建模及分析

有限元分析过程分为建模、加载和分析三个主要步骤。

首先，建模是有限元分析的基础，正确的模型是获取正确分析结果的关键，所以必须严格依据设计图纸建立托架在舱内和展开状态下的正确模型。

其次，本文需要探究托架在舱内和展开两种状态下的变化，针对两种状态下的特点对模型施加不同的载荷进行分析;同时在ANSYS中进行有限元分析必须要选择合适的单元，为有效分析问题、解决问题，必须根据分析类型、模型特征等选择所使用的单元类型。

对于托架而言，其骨架模型主要由方管、槽板等组成，适合采用壳（Shell惮元和梁（Beam惮元完成分析，但由于采用梁单元建模时需要考虑单元方向，并考虑骨架模型的结构特点，所以在本次分析中选用壳63单元完成分析。

托架的主要结构件由0235钢构成，其材料性能参数见表1。

托架的骨架由各种构件组成，其厚度并不相同，这里共存在三种厚度如表2。为更加贴近实际情况，在此采用三种不同厚度的壳单元。

托架舱内状态分析

托架舱内状态结构模型的建立如图6所示。

（1）网格的划分。

有限元分析的基本思想是将模型离散为相互联系的微小单元来进行计算，离散模型的过程就是划分网格。对于托架骨架模型而言，要按照不同的构件厚度分别划分网格;这里采用边长为1mm的单元划分网格，整个骨架模型离散为25850个壳63单元，总共产生87914个节点。

（2）加载。

1）边界条件的施加。

托架底部的两根縱梁位于副车架上，并用螺栓紧固，进行分析时，将这两根纵梁与大梁接触部分的所有节点约束全部自由度。

2）托架上主要安装设备的加载。

无人直升机安装在托架上，其重量通过底部起落架传递到托架上。无人直升机空机重量为500kg，滑撬与托架的接触面上共有9837个节点，考虑3倍冲击载荷，将所有重量均匀加载到接触面上，平均每个面受到3750N垂直向下的压力。

（3）变形与应力分布情况。

按照上述过程完成模型建立、载荷加载后进行分析，可以得到托架在实际工作状况下的变形与应力分布情况如下。

1）托架变形情况。

托架实际承载并承受3倍冲击载荷时，其最大变形位于托架中后部的横梁上，其最大变形量为1.3787mm，变形云图如图7所示。

21托架应力分布情况。

应力云图如图8所示，可以得到托架实际承载并承受3倍冲击载荷时，其应力最大值为156MPa，位置在托架中部弯角件与底部纵梁的连接处。

托架展开状态分析

托架展开状态的结构模型建立如图9所示。

（1）网格的划分。

划分网格和研究对象的状态无关联，经网格划分后整个骨架模型离散为22715个壳63单元，总共产生73721个节点。

（2）加载。

1）边界条件的施加。

纵梁与大梁接触部分的所有节点依然约束为全部自由度。

2）托架上主要安装设备的加载。

考虑单倍载荷，将所有重量均匀加载到起落架与托架的接触面上，总共四个面，平均每个面受到1250N垂直向下的压力。

（3）变形与应力分布情况。

上述过程完成模型建立、载荷加载后进行分析，可得到托架在实际工作状况下的变形与应力分布情况如下。

1）托架变形情况。

托架实际承载并承受单倍冲击载荷时，其最大变形位于托架中后部的横梁上，其最大变形量为2.85mm，变形云图如图10所示。

2）托架应力分布情况。

应力云图如图11所示，可以得到托架实际承载并承受单倍载荷时其应力最大值为185MPa，位置如图标注处。

材料安全系数分析

合理选用安全系数，既能保证工件的安全性，又可节约材料，减轻重量，做到物尽其用;对塑性材料，一般选择安全系数n的计算值在1.2～2.5之间比较合适。

利用前述仿真分析结果并结合公式计算，得到托架在舱内运输时的安全系数n=1.51，托架在吊装时的安全系数n=1.27;可以看出，得到的安全系数值均在安全系数范围1.2～2.5之间，因此所选材料符合安全性能要求。

通过ANSYS有限元软件对无人直升机运输车托架在舱内和展开状态的分析计算，得出以下结果。

（1）托架舱内状态模型分析可知，运输状态下受到三倍载荷冲击下的托架结构强度，托架两侧的构件变形量为1.387mm，发生轻微扭转变形，托架上出现的最大应力值基本保持在156MPa以下，且安全系数值为1.51;

（2）由托架展开状态模型分析可知，托架两侧的构件的变形量为2.85mm，发生轻微扭转变形，托架上出现的最大应力值基本保持在185MPa以下，且安全系数值为1.27;

上述结果表明，运输车托架在运输过程中和吊装状态下，托架整体结构虽然发生微小变化，但不会对正常使用的安全性造成影响。同时，得到的最大应力值也都小于许用应力235MPa，安全系数值均在安全系数范围1.2～2.5以内，无人直升机运输托架的设计及选材满足结构强度和性能要求。