某型无人机螺旋桨抗离心力强度研究

王 栋，马春浩，王帅培

(西安爱生技术集团有限公司 飞行器研发中心，陕西 西安 710065)

0 引 言

目前，中、小型低速无人机大多以活塞式发动机为动力，螺旋桨是其主要的推进装置，这类螺旋桨的主要特点是转速高、定距、直径小、前进速度比较低[1-2]；与硬铝材料等金属材料相比，桦木、山毛榉等木材不仅具有重量轻、强度高等特点，还可以有效地降低雷达波的反射，因此中、小型无人机螺旋桨多采用木质材料。对木质材料的基本要求是：木质均匀、强度好和变形小，松木、榉木、桦木和精制层板常作为螺旋桨材料[4]。

螺旋桨桨叶在旋转过程中，承受气动载荷、离心载荷、1P载荷等，并且产生飞机前进的推力和制动阻力[3]，某型无人机除了爬升、巡航、小角度盘旋等常规飞行状态外，还存在大角度下滑飞行状态，在该过程中螺旋桨转速持续增大，可达到10 000 r/min以上，此时螺旋桨的离心力急剧增大，甚至会超出螺旋桨的承载能力，使螺旋桨发生断裂，从而发生安全事故，因此评估螺旋桨在无人机进行大角度下滑过程中抗离心力强度显得至关重要。笔者针对某型无人机的榉木螺旋桨，应用Patran/nastran分析软件建立了有限元模型，施加离心载荷对其进行了仿真分析，得到了螺旋桨的应力和应变响应，并通过螺旋桨的抗离心力强度试验验证了仿真分析的准确性，保证了木质螺旋桨的抗离心力强度满足设计要求。

1 载荷计算

螺旋桨旋转角速度以ω表示，质量以m表示，质心到桨旋转中心的距离以r表示，则螺旋桨的离心力计算公式为：

F=mrω2

(1)

在Patran中添加离心力载荷只需设置转速、材料密度即可，文中的螺旋桨为榉木材质，榉木材料的材料参数如表1所列，假定大角度下滑时的转速ω=11 000 r/min，则：

F=mrω2=59 237 N

(2)

2 有限元模型

在有限元网格选取中，相比于四面体单元，六面体单元在数值计算中有四面体单元无法比拟的优势，首先，六面体单元的计算精度明显要高于四面体单元，四面体单元属于常应变单元，只存在一个应力和应变，没有应力梯度，而六面体单元是梯度单元，这样可以准确的描述梯度变化区域；其次，如果采用相同大小的单元尺寸，六面体网格划分的单元数量要比四面体网格划分的单元数量少得多，较少的单元数量意味着较少的有限元计算时间；最后，六面体网格更加接近被模拟的物理场。

文中采用Patran前处理软件选用正六面体单元(Hex8)建立螺旋桨有限元模型，螺旋桨材料参数如表1所示，对螺旋桨施加给定的转速为11 000 r/min，螺旋桨有限元模型如图1所示。

3 计算结果及分析

采用上述有限元模型，对螺旋桨进行了仿真分析，得到了螺旋桨在给定工况下的变形和应力响应。螺旋桨桨叶变形示意图如图2所示，螺旋桨应力示意图如图3所示。

图1 螺旋桨有限元模型 图2 螺旋桨变形示意图

从图2可以看出，由于根部固定，桨叶最大变形在桨尖处，约为1.76 mm。从图3可以看出，桨叶根部附近的应力最大，最大Von mises应力约为62.9 MPa，从表1可知螺旋桨的强度极限为75 MPa，因此安全裕度为：

(3)

螺旋桨的静强度满足设计要求。

4 强度试验

为了验证计算结果的准确性，对螺旋桨做地面抗离心力强度试验，将螺旋桨通过夹具安装在电子万能试验机上，在试验设定条件下对桨叶进行加载，试验装夹情况如图4所示。

图3 螺旋桨最大Von mises 图4 螺旋桨试验装 应力云图 夹情况

此次试验加载过程为：对桨叶从0 开始加载至40 kN(67%使用载荷)，保持载荷满5 min后停机，检查试验件及试验设备，如果桨叶正常，继续对桨叶从0开始加载至59 kN(100%使用载荷)，保持载荷满5 min后停机，检查试验件及试验设备，如果桨叶正常，继续对桨叶从0开始加载至桨叶断裂，并记录断裂时的载荷数据。

试验结果表明：

(1) 在试验设定条件下对桨叶进行加载，试验载荷达到40 kN时，桨叶连接无松动，螺栓紧固无异常。

(2) 在试验设定条件下对桨叶进行加载，试验载荷达到59 kN时，桨叶连接无松动，螺栓紧固无异常。

(3) 在试验设定条件下对桨叶进行加载，当试验载荷达到75 kN时，螺旋桨桨根两侧均发生开裂。

试验件破坏加载情况如图5～7所示，试验件破坏如图8所示。

图5 加载到40 kN

图6 加载到59 kN

图7 加载到75 kN过程中桨根两侧断裂

图8 螺旋桨破坏情况

当对桨叶从0开始加载至40 kN过程中，试验夹持处出现松动，有卸载情况出现，因此图5的加载曲线有拐折部分，经调整后继续加载未再出现问题。

由公式(2)可以得出，仿真分析螺旋桨的安全裕度为0.19。因此螺旋桨发生破坏所需的载荷为：

F1=59 237×119%=70 492 N

(4)

由螺旋桨抗离心力强度试验结果可知螺旋桨发生破坏所需的载荷为：

F2=75 000 N

(5)

仿真分析结果与强度试验结果的差值为：

(6)

由公式(6)可以看出，仿真分析结果与强度试验结果的误差小于10%，说明试验结果与计算结果基本吻合，抗离心力强度试验结果验证了仿真计算的准确性。

5 结 论

针对某型无人机的榉木螺旋桨，应用Patran/nastran软件建立了有限元模型，施加离心载荷对其进行了仿真分析，并对螺旋桨进行了地面抗离心力强度试验，通过仿真分析和强度试验结果，得出如下结论：

(1) 仿真结果显示，在离心载荷作用下，螺旋桨的最大变形发生在桨尖处，最大应力发生在桨根处，约为62.9 MPa，满足螺旋桨的破坏强度设计要求；

(2) 地面抗离心力强度试验结果显示，在试验载荷达到75 kN时，螺旋桨桨根处发生破坏；

(3) 强度试验结果与仿真分析结果误差小于10%，验证了仿真分析的准确性。