CN113010976A - 一种直升机主减速器壳体强度仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于结构强度仿真技术领域，具体涉及一种直升机主减速器壳体强度仿真方法。本发明利用三维建模软件建立主减速器壳体相关组件装配模型，利用传动系统仿真分析软件建立传动系统模型，获取传动系统各齿轮轴轴承支点载荷数据作为后续主减速器壳体仿真分析载荷；将装配模型导入有限元仿真分析软件，设置材料参数、进行有限元网格划分、设置零件之间的接触条件、设置载荷条件、设置解算条件并进行解算；解算完成后，用有限元仿真分析软件查看主减速器壳体强度仿真分析结果。本发明方法避免了单独分析主减速器壳体造成的计算误差、消除了传统理论计算带来的简化误差，大幅度提高了主减速器壳体强度仿真分析精度。
Description
技术领域
本发明属于结构强度仿真技术领域，具体涉及一种直升机主减速器壳体强度仿真方法。
背景技术
直升机主减速器壳体是直升机主减速器的重要组成部分，其所支承的传动系统可将动力由发动机传递到旋翼。目前该类结构的强度仿真分析是基于零件为单元开展的，其载荷采用理论计算的方式获得。边界条件的大量简化导致强度仿真分析结果准确度降低，甚至出应力及变形分布结果与实际不符的情况。为了提高仿真分析准确度，分析中需要考虑与主减速器壳体相配合零件之间的载荷传递与变形协调，需要施加准确的载荷及约束条件。
现有技术中存在部分有关汽车变速器仿真技术，但是由于汽车变速器其结构，特别是边界条件，载荷传递与直升机减速器差异较大，无法进行直接借鉴。
发明内容
本发明的目的：提供一种直升机主减速器壳体强度仿真方法，分析中对于主减速器的载荷及约束不做简化处理，考虑组件之间的变形协调，模拟主减速器壳体工作中的真实载荷传递，获得准确的应力、变形、传递载荷结果。
本发明的技术方案：
一种直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：利用三维建模软件建立主减速器壳体相关组件装配模型，利用传动系统仿真分析软件建立传动系统模型，获取传动系统各齿轮轴轴承支点载荷数据作为后续主减速器壳体仿真分析载荷；进入有限元仿真分析软件，导入主减速器壳体相关组件装配模型；设置材料参数、进行有限元网格划分、设置零件之间的接触条件、设置载荷条件、设置解算条件并进行解算，其中，载荷条件为各齿轮轴轴承支点载荷数据；解算完成后，用有限元仿真分析软件查看主减速器壳体强度仿真分析结果。
所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法具体步骤为：
步骤一、采用三维建模软件，对主减速器壳体组件进行建模并保存为可用于后续开展有限元仿真分析的格式。
步骤二、采用传动系统仿真分析软件，建立传动系统仿真分析模型。
步骤三、施加功率及转速。
步骤四、计算并提取各轴承承受载荷。
步骤五、将三维数模导入有限元仿真分析软件。
步骤六、对仿真分析模型赋予材料参数。
步骤七、进行有限元网格划分。
步骤八、设置零件间的接触条件。
步骤九、对有限元节点或体上的点或面施加载荷及约束。
步骤十、设置求解条件并解算。
步骤十一、查看求解结果并进行结果校核。
进一步的，保存的三维模型扩展名至少包括x_t，.prt，.igs，.stp，.catpart。
进一步的，传动系统仿真分析软件至少包括KISSSoft，Romax，MASTA。
进一步的，各轴承承受载荷为轴系坐标系下三向载荷分量。
进一步的，有限元仿真分析软件至少包括ANSYS，LS-Dyna，NASTRAN。
进一步的，材料参数包括密度，弹性模量，泊松比。
进一步的，螺栓连接的两个端面选择绑定接触，螺栓与孔配合面选择不分离接触，止口连接面选择标准接触，摩擦系数给定0.1～0.15。
进一步的，在轴承安装面建立局部坐标系，选择Z轴为轴向；在局部坐标系的XY平面内施加轴承力，确保该力无轴向分量；轴承力的轴向分量施加与轴承端面与主减速器机匣壳体连接端面处。
进一步的，对于完全限制的边界采用固定约束，对于具有部分自由度的边界选择位移约束。
进一步的，求解条件设置中需将应力、应变、接触输出设置全部打开。
进一步的，求解结果需要查看应力、变形、接触力、支反力。
本发明的有益效果：本发明给出了一种直升机主减速器壳体强度仿真分析的具体方法，包括载荷的获取方法、载荷的施加方式、约束的施加方式、接触的设置方式、求解设置方法、结果的查看方法等。通过本发明提出的方法可以获得准确的直升机主减速器壳体应力、位移分布，可以准确获得主减速器壳体与相配合零件的载荷传递，在设计、制造、试验与排故中，可以准确地掌握主减速器壳体的强度状态，有针对性地进行设计或改进。
附图说明
图1是直升机主减速器壳体的结构示意图；
图2是本发明直升机主减速器壳体强度仿真方法流程图，
其中，1-联轴器、2-输入轴、3-皮带轮、4-甩油盘、5-输入圆锥齿轮、6-输出圆锥齿轮、7-太阳轮、8-挡圈、9-圆柱直齿轮、10-销轴、11-行星架、12-固定齿圈、13-箱体、14-旋翼轴、15-锥形机匣壳体、16-主减速机匣。
具体实施方式
本发明直升机主减速器壳体强度仿真方法采用相关组件整体仿真的方式，考虑了组件之间的载荷传递及约束限制，避免了单独分析主减速器壳体造成的计算误差；采用传动系统仿真的方式获取主减速器壳体的载荷边界，避免了传统理论计算带来的简化误差，大幅度提高了主减速器壳体强度仿真分析精度。
本发明的具体实施过程如下：
(1)根据直升机主减速器壳体中相关零件设计参数利用UG\CATIA等建模软件对壳体组件进行三维建模并装配，形成壳体组件的三维数模，并导出
为x_t，.prt，.igs，.stp，.catpart格式，以备后续仿真软件使用；(2)采用KISSSoft，Romax或MASTA软件，选用其中的齿轮、轴、轴承、花键等建模模块，根据传动系统齿轮轴等部件设计参数，建立主减速器传动系统模型；
(3)在传动系统模型的输入端施加输入功率及转速，在负载端施加输出功率及转速，使得该传动系统模型进行转动模拟；
(4)传动系统模型转动模拟后，提取各轴承在轴承局部坐标系下的XYZ三向分力；
(5)将主减速器壳体组件三维数模导入有限元分析软件ANSYS、LS-Dyna或者NASTRAN；
(6)采用十节点四面体单元进行有限元网格划分，以保证该包含多个零件的复杂结构的主减速器壳体组件能够实现有效网格划分，避免网格划分失败；
(7)设置主减速器壳体组件各零件之间的接触条件，对用于连接各壳体组件零件的螺栓连接端面建立绑定接触，对螺栓与孔配合面建立不分离接触，对止口配合面建立标准接触，设置摩擦系数0.1～0.15，从而有效模拟主减速器壳体组件各零件间的载荷真实传递；
(8)设置载荷施加条件，在轴承安装孔施加轴承力。具体方法为：在轴承安装面建立局部坐标系，选择Z轴为轴向。在局部坐标系的XY平面内施加轴承力，确保该力无轴向分量。轴承力的轴向分量施加与轴承端面与主减速器机匣壳体连接端面处，以真实模拟传动系统轴承载荷在壳体组件上的施加；
(9)在主减速器组件与飞机连接处施加约束，其中，所述的约束施加原则如下：
a)对于完全限制的边界采用固定约束；
b)对于具有部分自由度的边界选择位移约束。
具体的，固定约束为锥形机匣通过撑杆与飞机连接，将拉力传递到飞机；防扭盘通过螺栓与飞机连接，将扭矩传递到飞机。位移约束为放开具有自由度的位移约束，而对其他无自由度的方向进行位移约束。
(10)在有限元仿真软件中求解设置中打开应力、位移、接触输出选项；
(11)求解；
(12)在有限元仿真软件中查看应力、变形、接触力、支反力，包括各力的大小、分布趋势等；
(13)结果校核，判断应力、变形、接触力、支反力的大小及分布是否满足主减速器壳体组件的设计及使用要求。
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例
某直升机主减速器壳体，按照飞机上的装配结构从上到下包括锥形机匣、主减上盖、固定齿圈、追齿圈支架、主减机匣以及防扭盘。其约束为锥形机匣通过撑杆与飞机连接，将拉力传递到飞机；防扭盘通过螺栓与飞机连接，将扭矩传递到飞机。主减速器传动系统包含二级减速齿轮，两侧输入功率均为400KW，转速为5430r/min；旋翼输出功率为452KW，其余为尾轴输出。
1.采用UG软件，建立主减速器壳体组件装配模型，并导出为.x_t格式；
2.根据传动系统结构参数，采用ROMAX软件建立传动系统模型，包括齿轮轴与轴承；
3.给定输入功率400KW，转速5430r/min，旋翼输出功率452KW；
4.求解并提取各轴承在轴承局部坐标系下XYZ三向分力，按照从左到右、从上到下、从前到后的顺序对轴承进行编号，各轴承的载荷分别为：
1号轴承：X向：4630.7N，Y向：4585.9N，Z向：0
2号轴承：X向：637.1N，Y向：536.3N，Z向：0
3号轴承：X向：2970.9N，Y向：4512.8N，Z向：-4841.9N
4号轴承：X向：-12521.3N，Y向：10094.6N，Z向：-16247.8N
5号轴承：X向：-8862.3N，Y向：-16520.8N，Z向：0
6号轴承：X向：-167.0N，Y向：-2841.6N，Z向：9242.9N
7号轴承：X向：-18729.1N，Y向：-10652.2N，Z向：16446.1N
8号轴承：X向：23270.3N，Y向：703.7N，Z向：-14976.0N
9号轴承：X向：-2871.9N，Y向：-6052.0N，Z向：626.6N
10号轴承：X向：7894.1N，Y向：8425.8N，Z向：0
11号轴承：X向：-9577.9N，Y向：7943.0N，Z向：-17204.4N
12号轴承：X向：-1901.8N，Y向：-4720.0N，Z向：-4186.3N
13号轴承：X向：-2006.6N，Y向：-1702.7N，Z向：0
14号轴承：X向：-5586.0N，Y向：-5868.4N，Z向：0N
5.将主减速器壳体组件三维模型导入ANSYS Workbench软件中；
6.给定单元大小为5mm，采用十节点四面体单元进行有限元网格划分；
7.对于螺栓连接的两配合端面进行绑定接触设置。对于止口配合面进行标准接触设置，摩擦系数设定为0.15。对于撑杆与锥形机匣之间的大螺栓，设定螺杆与孔的配合面为不分离接触。
8.在各轴承安装孔建立局部坐标系，使X向指向上，Y向指向前，Z向为轴向。将轴承力按照分量的形式分别按照上述坐标系的方向施加于对应的轴承安装孔；
9.将撑杆与飞机的连接位置固定约束，将防扭盘与飞机的连接位置固定约束；
10.在求解设置中打开应力、应变、接触输出选项；
11.解算；
12.查看接触力与支反力情况。拉力全部传递到撑杆，且撑杆仅承受拉压载荷，满足撑杆特性。扭矩完全传递到防扭盘，符合设计方案。边界条件施加正确；
13.查看应力、变形分析结果。主减机匣壳体最大应力为235MPa，不满足考虑铸件系数的屈服安全裕度要求；主减机匣壳体最大变形为0.5mm，满足设计许用变形要求；计算结束。
显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明说明书为详尽部分均为常规技术。
Claims (10)
1.一种直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：利用三维建模软件建立主减速器壳体相关组件装配模型，利用传动系统仿真分析软件建立传动系统模型，获取传动系统各齿轮轴轴承支点载荷数据作为后续主减速器壳体仿真分析载荷；进入有限元仿真分析软件，导入主减速器壳体相关组件装配模型；设置材料参数、进行有限元网格划分、设置零件之间的接触条件、设置载荷条件、设置解算条件并进行解算，其中，载荷条件为各齿轮轴轴承支点载荷数据；解算完成后，用有限元仿真分析软件查看主减速器壳体强度仿真分析结果。
2.根据权利要求1所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法具体步骤为：
步骤一、采用三维建模软件，对主减速器壳体组件进行建模并保存为可用于后续开展有限元仿真分析的格式；
步骤二、采用传动系统仿真分析软件，建立传动系统齿轮轴系的仿真分析模型；
步骤三、在传动系统仿真分析模型中对齿轮轴系施加功率及转速，进行动态传动仿真模拟；
步骤四、计算并提取转动中的齿轮轴系各轴承承受载荷；
步骤五、将步骤一中所建立的壳体组件三维数模导入有限元仿真分析软件，建立壳体组件仿真分析模型；
步骤六、对仿真分析模型赋予材料参数；
步骤七、进行有限元网格划分；
步骤八、设置零件间的接触条件；
步骤九、对有限元节点或体上的点或面施加载荷及约束，其中，所施加的载荷为步骤四中齿轮轴系各轴承承受载荷，所述约束为减速器在直升机上的安装约束；
步骤十、设置求解条件并解算；
步骤十一、查看求解结果并进行结果校核。
3.根据权利要求2所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：所述主减速器壳体组件按照飞机上的装配结构从上到下包括锥形机匣、主减上盖、固定齿圈、追齿圈支架、主减机匣以及防扭盘，其约束为锥形机匣通过撑杆与飞机连接，将拉力传递到飞机；防扭盘通过螺栓与飞机连接，将扭矩传递到飞机。
4.根据权利要求2所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：步骤四中所述的各轴承承受载荷为各齿轮轴自身坐标系下三向载荷分量。
5.根据权利要求2所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：步骤六中所述的材料参数包括：密度，弹性模量，泊松比。
6.根据权利要求2所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：步骤八中所述的接触条件按照以下原则：
a)螺栓连接的两个端面选择绑定接触；
b)止口连接面选择标准接触；
c)螺栓与孔配合面选择不分离接触。
7.根据权利要求2所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：步骤九中所述的载荷为轴承力，其施加原则如下：
a)在轴承安装面建立局部坐标系，选择Z轴为轴向；
b)在局部坐标系的XY平面内施加轴承力，确保该力无轴向分量；
c)轴承力的轴向分量施加于轴承端面与主减速器机匣壳体连接端面处。
8.根据权利要求2所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：步骤九中所述的约束施加原则如下：
a)对于完全限制的边界采用固定约束；
b)对于具有部分自由度的边界选择位移约束，即只放开具有自由度的位移，并约束其他的位移。
9.根据权利要求2所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：步骤十中所述的求解条件至少包括：应力、应变、接触输出设置。
10.根据权利要求2所述的直升机主减速器壳体强度仿真方法，其特征在于：步骤十一中所述的求解结果至少包括：应力、变形、接触力、支反力。
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